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한국형 인공태양 “2025년 1억도 플라스마 5분 유지” 향해 뛴다

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한국형 인공태양 “2025년 1억도 플라스마 5분 유지” 향해 뛴다

2019.02.20 00:00
-사진 제공 국가핵융합연구소
-사진 제공 국가핵융합연구소

국가핵융합연구소가 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 실험 10주년을 맞아 국내외 핵융합 연구자와 지난 성과를 나누는 ‘KSTAR 10주년 기념식’이 20일 10시 코엑스 그랜드볼룸에서 열렸다. KSTAR와 국제 공동 연구를 해 온 미국, 유럽, 일본, 중국 등 해외 주요 핵융합 연구기관의 기관장 및 국내 핵융합 연구 관련 산·학·연 관계자 300여명이 참석했다.


KSTAR는 속이 빈 도넛 모양의 공간에 원료를 넣고 거대한 자석으로 이를 통제해 빠르고 뜨겁게 가속, 가열하는 ‘토카막’ 형 핵융합장비다. 이 안에서 물질을 구성하는 핵과 전자가 분리된 ‘플라스마’ 상태가 만들어지고, 이 안에서 핵이 서로 융합된다. 핵이 융합하면서 아주 약간의 질량이 줄어드는데, 줄어든 질량이 아인슈타인의 법칙에 따라 에너지로 바뀐다. 태양에서 수소가 핵융합해 빛과 열을 내는 과정과 비슷해 흔히 ‘인공태양’이라는 별명으로 불린다.

 

KSTAR는 1995~2007년 국내 기술로 개발됐으며, 2008년 첫 번째 플라스마 발생 실험에 성공했다. 이후 10년간 핵융합 상용화에 필요한 굵직한 연구 성과들을 발표하며 세계 핵융합연구의 핵심 실험장치로 자리 잡았다.

 

KSTAR는 초전도 토카막 장치로는 세계 최초로 2010년 고성능플라스마운전(H-모드)에 성공했다. H-모드는 특정 조건에서 플라스마를 토카막 안에 가두는 성능이 두 배 증가하는 현상으로, 핵융합 장치의 운전 성능을 평가하는 중요한 지표다.

 

플라스마 발생 시 토카막 내부의 모습. 밝게 빛나는 부분이 사실은 온도가 더 낮다. 국가핵융합연구소 제공
플라스마 발생 시 토카막 내부의 모습. 밝게 빛나는 부분이 사실은 온도가 더 낮다. 국가핵융합연구소 제공

핵융합 상용화에 필요한 가장 큰 난제로 꼽히던 플라스마 경계면불안정현상(ELM)을 2011년 최초로 완벽하게 억제하는 데에도 성공했다. 초고온 초고속의 플라스마는 길들지 않은 야생마처럼 토카막 안에서 거칠게 날뛰는데, 이 과정에서 에너지가 유출되면서 토카막의 성능이 떨어지고 내벽이 파손되는 현상이다. 쉽게 말하면 날뛰는 야생마가 마구간 벽을 부수는 식이다. 이 현상을 억제하는 것은 핵융합 연구의 중요한 이정표다. 2016년에는 고성능플라스마운전(H-모드) 시간을 연속 70초까지 연장하며 세계 최장시간 H-모드 운전 기록을 달성하기도 했다.


지난해에는 플라스마경계면불안정현상(ELM)을 예측하고 억제할 수 있는 새로운 이론을 정립하고 검증하는 데 성공해 국제학술지 ’네이처’에 발표하기도 했다. 핵융합 이론 부분에서도 중요한 성과를 거두고 있다는 평가다. 또 지난해 이온온도 1억도 이상의 초고온 플라스마 운전을 처음으로 실현했다.


이날 기념식에서 이현곤 핵융합연 부소장은 핵융합 상용화 핵심기술인 초고온·고밀도 핵융합 플라스마의 장시간 유지 기술 확보를 위한 계획을 밝혔다. 2025년까지 가열장치를 증설하고 토카막의 진공용기를 뜨거운 플라스마로부터 보호하는 장비인 ‘디버터’의 재료를 교체할 예정이다. 이를 바탕으로 1억도 이상 초고온 플라스마를 300초간 유지할 계획이다. 핵융합을 위해서는 초고온 플라스마를 오랜 시간 꾸준히 안정적으로 유지해야 한다. 1억 도 플라스마를 300초 유지하는 것은 이런 ‘연속운전’을 위한 중요한 징검다리라는 게 이 부소장의 설명이다.


한국과 EU, 미국, 중국, 일본 등 7개국이 공동으로 프랑스에 건설중인 초대한 핵융합실험로인 국제핵융합실험로(ITER, 이터) 국제기구 베르나 비고 사무총장은 “KSTAR는 그동안 ITER에서 진행될 연구에 대한 지식과 실험 데이터 생산에 크게 기여해왔다”며 “KSTAR는 핵융합에너지 개발에 큰 기여를 할 수 있는 세계에 몇 개 안되는 시설 중 하나로 KSTAR의 성공은 ITER의 성공과 밀접한 관련이 있다”고 말했다.

 

지난해 8월 국제핵융합실험로(ITER) 본관 건설 현장. - ITER 국제본부 제공
지난해 8월 국제핵융합실험로(ITER) 본관 건설 현장. - ITER 국제본부 제공

유석재 핵융합연 소장은 “KSTAR가 지난 10년간 달성한 세계적인 연구 성과들은 우리나라가 핵융합 선도국으로 성장하는 데 가장 큰 원동력이 됐다”며, “미래에너지원 개발이라는 핵심 과학기술 분야에서 앞으로도 우리나라가 세계를 리드하고, 누구보다 먼저 핵융합에너지 실현의 열쇠를 쥘 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.


한편 ’KSTAR 10주년 기념식‘과 더불어 20~22일까지 3일간 개최되는 국제 핵융합 학술대회인 ’KSTAR 컨퍼런스 2019‘에서는 최근 발표한 KSTAR의 연구 성과뿐만 아니라 각국에서 수행하고 있는 핵융합 프로그램의 최근 현황과 성과에 대한 발표가 이뤄질 예정이다.
 

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