핵융합硏, ITER 운전 조건 구현ㆍ장시간 플라즈마 불안정성 제거 최초 성공
한국의 인공태양인 초전도핵융합장치 ‘KSTAR’가 프랑스 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)의 초기 운전 단계 성공을 위한 핵심 기술 개발에 성공했다.
19일 국가핵융합연구소(소장 김기만)는 KSTAR가 세계 핵융합 장치 중 최초로 ITER 기준 운전 조건 하에서 플라즈마 경계영역 불안정 현상(ELM)의 장시간 제어에 성공하며 미래 핵융합로 운전에 필요한 핵심 기술 확보에 한 발 앞서게 됐다고 밝혔다.
핵융합에너지의 상용화 연구를 위해 국제 공동으로 건설 중인 ITER는 장치 완공 후 본격적인 핵융합 연구에 들어가기 위해 초기 운전단계에서 달성해야 하는 플라즈마 운전 조건들이 있다.
특히 플라즈마 모양, 플라즈마 성능, 플라즈마 유지시간, 그리고 플라즈마 경계면 불안정성(ELM)의 제거 등 4가지 조건으로 이를 모두 충족하는 플라즈마 운전인 ‘ITER 기준 운전 시나리오(ITER Baseline Scenario)'를 구현할 때, ITER의 운전목표인 에너지 증폭율(Q) 10을 달성할 수 있는 운전기술 확보가 가능해진다.
이에 세계 주요 핵융합 장치들은 ITER의 성공적인 초기 운전 달성을 위해, 최적의 운전 조건을 찾는 장치 운전 기술 개발 연구를 활발히 수행해왔다. 하지만 지금까지 다른 핵융합 장치들은 ITER 초기 운전에 필요한 4가지 조건 중 ELM 제어와 장시간 운전 조건을 다른 2가지 조건과 동시에 충족하지 못하는 한계가 있었다.
ELM(Edge Localized Mode)은 핵융합로 안에서 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마와 그 바깥쪽의 큰 압력 및 온도차로 인해 발생하는 불안정 현상을 말한다. ELM은 플라즈마 가장자리를 갑자기 풍선처럼 터지게 만들어 핵융합로 내부를 손상시키고, 플라즈마를 안정적으로 지속하는데 방해가 돼 핵융합 상용화를 이루기 위한 핵심 난제로 꼽힌다.
특히 ITER와 같은 대형 핵융합로에서는 장치의 손상을 막기 위해 반드시 해결해야 할 과제인 ELM은 현재까지도 전 세계의 모든 주요 핵융합장치에서 그 발생 메커니즘 및 제어 방법 등이 연구되고 있다.
KSTAR는 올해 플라즈마 실험에서 ITER에서 요구하는 플라즈마 형상과 성능 조건 하에서 34초 간 ELM을 완벽하게 제어하는 데 성공하면서, 핵융합 장치 중 최초로 ITER에 적용되는 운전 조건 4가지를 모두 충족하는 핵융합로 운전 기술을 확보하게 됐다.
특히 기존의 핵융합 장치들이 ITER 운전 조건에서 3~4초에 불과한 짧은 시간에만 ELM을 제어할 수 있었던 것과 비교하면 KSTAR는 10배 정도 ELM 제어 기술 능력을 높이게 됐다는 평가를 받고 있다.
이는 KSTAR가 ITER와 동일한 초전도자석을 사용하는 유일한 핵융합 장치로서 장치 고유의 뛰어난 성능 뿐 아니라, 고성능 플라즈마 운전 세계 기록 달성과 세계 최초 ELM 제어 성공 등 연구 성과를 통해 쌓아 온 국내 연구진들의 높은 플라즈마 제어 기술 역량에 기반 한 것.
오영국 국가핵융합연구소 KSTAR연구센터 부센터장은 “이 같은 핵융합로 운전 기술의 개발은 최적의 핵융합로 운전 조건을 찾기 위한 연구로 향후 ITER 뿐 아니라 핵융합발전소 운영을 위해 반드시 필요한 핵심 기술”이라며 “이번 연구 성과로 ITER의 가동 이전에 개발되어야 하는 핵융합로 운전 기술이 KSTAR에서 더욱 활발히 연구될 것”이라고 강조했다.
KSTAR는 지난해 세계 신기록이었던 고성능 플라즈마(H-모드) 발생 70초 연속 운전에 이어 올해에는 고성능 플라즈마를 72초간 발생하는데 이어 핵융합 반응에 필요한 플라즈마 이온 온도를 7000만도(℃)까지 올리는 데에도 성공했다.
올해 실험을 마친 KSTAR는 현재 새롭게 추가되는 중성입자빔 가열장치(NBI-Ⅱ)의 개발과 설치를 위한 작업을 진행 중이다. 새로운 가열장치의 설치가 완료되는 2019년에는 1억도 이상의 플라즈마 발생이 가능해져 새로운 단계의 핵융합 실험을 진행할 수 있게 될 것이라 기대하고 있다.
김기만 핵융합연구소장은 “KSTAR는 향후 핵융합로 운전 기술 개발에 필요한 높은 플라즈마 성능과 긴 유지시간을 동시에 달성하는 실험이 가능한 유일한 장치”라며 “장치 성능 향상 작업과 함께 우수연구자 확보로 연구결과 해석 및 분석 분야의 역량을 더하게 되면 미래 핵융합로 운전에 필요한 핵심 기술 확보에 가장 앞장설 수 있게 될 것”이라고 밝혔다.
한편 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 1995년부터 2007년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 우리나라 초전도 핵융합장치로 2008년 최초 플라즈마 발생에 성공했다. ITER 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치이며, 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받아 매년 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 핵융합 플라즈마 실험을 수행하고 있다.
또 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)는 미래 대용량 청정에너지원인 핵융합에너지의 상용화 가능성을 실증하기 위해 한국, 미국, EU 등 핵융합선진 7개국이 공동으로 개발ㆍ건설하는 초대형 국제협력 R&D 프로젝트이다. 핵융합반응을 통한 500MW급의 열출력을 발생하는 장치를 개발해 전기생산의 가능성을 실증하기 위한 국제핵융합실험로이다.