‘한국 인공태양’ KSTAR, 세계 최초 1억℃ 초고온 플라즈마 실현

국가핵융합연구소 ‘1억도 이상에서 플라즈마 1.5초 유지“

초전도핵융합연구장치 KSTAR 모습.© 뉴스1

인공태양이라 불리는 국내 ’초전도핵융합연구장치‘(KSTAR)가 초전도 토카막 핵융합 연구장치 가운데 세계 처음으로 플라즈마 중심 이온온도를 1억℃까지 올리는데 성공했다. 핵융합 연구 후발국이었던 우리나라가 빠르게 선진국들을 추격하고 앞으로 핵융합에너지 상용화를 선도하기 위한 발판을 마련했다는 평가다.

국가핵융합연구소(NFRI)는 토카막 핵융합연구장치 중 최초로 플라즈마 중심 이온온도를 1억도 이상 달성한 상태에서 그 플라즈마를 1.5초간 유지하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

핵융합에너지는 태양의 핵융합 반응 원리를 활용한 에너지다. 원료인 중수소와 삼중수소가 무한하고 폐기물이 적고 폭발 위험이 없다고 해서 ’꿈의 에너지‘라고도 불린다. 태양의 핵융합 반응을 지구에서 만들기 위해서는 중력이 존재하지 않도록 하는해 핵융합장치가 반드시 필요하다.

우리나라도 지난 2007년 국내 기술로 초전도 토카막 핵융합 연구장치인 KSTAR를 개발했다. 토카막 핵융합 연구장치는 도너츠 형태의 진공용기 안에 수소연료를 채우고 바깥에 높은 자기장을 걸어준 뒤 약 1억도로 가열해 밀폐하는 방식으로, 핵융합 장치 중 가장 효과적인 것으로 평가받는다. 한국·미국·유럽연합(EU) 등 7개국이 국제공동으로 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)도 토카막 방식을 택하고 있다.

이번 이온온도 1억도 이상 달성 성과는 국내 KSTAR에서 나온 성과다. 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 태양의 중심 온도인1500만도의 7배인 1억도 이상의 고온, 고밀도 상황에서 플라즈마를 장시간 유지하는 것이 관건이다. 특히 ‘전자이온’보다 ‘이온온도’를 고온으로 유지하는 게 중요한 이유는 이온과 전자로 분리되는 플라즈마 상태는 전자가 이온결합으로 일어나는 반응이기 때문이다. 지난 2018년 11월 중국의 초전도 토카막 핵융합 실험장치(EAST)의 플라즈마 온도가 1억도 이상으로 올라갔다고 전해졌지만, 이는 전자온도였다는 게 연구진의 설명이다.

유석재 핵융합연 소장은 지난 11일 서울 종로구 HJ비즈니스센터에서 기자간담회를 열고 이번 연구성과에 대해 ”KSTAR는 현재 성능을 높이는 데 주력하고 있다면, 중국 EAST는 장시간 운영이 초점을 두고 있는 것“이라면서 ”서로 지향하는 방향이 약간 다르다“고 설명했다.

KSTAR에서 플라즈마 중심 이온온도를 1억도 이상의 고온을 유지할 수 있엇던 것은 차세대 플라즈마 운전모드를 구현하는 실험을 통해서였다. 연구진이 적용한 모드는 ’내부수송장벽(ITB) 운전모드‘로 플라즈마 외부뿐 아니라 내부에도 장벽을 형성해 밀폐 성능을 더욱 높인 차세대 운전모드다. 이 운전모드를 적용해 플라즈마 가동 성능이 높아지고 플라즈마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 성공적으로 이뤄낸 것이다.

연구진은 앞으로도 내부수송장벽 운전모드를 통해 플라즈마를 가열하는 중성입자빔 가열장치의 효율을 높여갈 계획이다. 윤시우 핵융합연 KSTAR연구센터장은 ”이번 실험에서는 약 1.5초인 비교적 짧은시간동안 1억도의 초고온이 유지됐지만 올해에는 가열장치의 증대와 플라즈마제어시스템의 추가 개선으로 10초 이상 연속 운전을 시도할 계획“이라고 말했다.

최원호 과기정통부 거대공공연구정책관은 ”아직 어느 나라도 주도권을 쥐지 못한 핵융합에너지 분야에서 경쟁력을 갖추면 우리의 강력하고 새로운 성장동력이 될 것“이라고 강조했다.

(서울=뉴스1)