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'한국 인공태양' KSTAR, 1억도 초고온 플라스마 도달…태양 중심온도보다 7배 높은 온도

  • 김명수 기자
  • 승인 2019.02.13 14:56
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[김명수 기자] 미래의 에너지원으로 기대되는 핵융합에너지 연구장치인 'KSTAR'가 초전도 토카막(Tokamak) 핵융합 장치로는 최초로 핵융합 연구의 고비 중 하나로 여겨져 온 '플라스마 중심 이온온도 1억도(℃)'를 달성했다.

국가핵융합연구소(NFRI)는 13일 KSTAR가 지난해 8~12월 진행한 플라스마 실험에서 핵융합의 가장 핵심적인 운전조건인 플라스마 중심 이온온도 1억도(9keV)를 1.5초간 유지하는 데 성공했다고 밝혔다.

또 올해는 플라스마를 균일하게 가열할 수 있는 중성자입자빔가열장치-2(NBI-2)를 추가 도입해 1억도 이상 초고온 플라스마를 10초 이상 안정적으로 유지하는 실험을 할 예정이라고 덧붙였다.

플라스마 이온온도 1억도는 태양 중심온도(1천500만도)보다 7배 정도 높은 온도로, 이온핵과 전자로 분리된 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소 이온이 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 온도로 여겨진다.

핵융합은 태양이 에너지를 생산하는 원리로 수소 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 과정에서 막대한 에너지를 방출한다. 바닷물에서 추출한 중수소와 리튬에서 생산한 삼중수소를 주원료로 하는 핵융합 발전은 인류의 궁극적인 미래 에너지원 후보로 꼽힌다.

태양에서는 매우 큰 중력으로 중심부 플라스마 이온 밀도가 극도로 높아 1천500만도에서도 핵융합이 일어나지만 중력이 훨씬 작은 지구에서 핵융합 반응을 일으키려면 플라스마 이온온도가 1억도 이상 초고온이 돼야 한다.

핵융합에 필요한 온도는? / [국가핵융합연구소 제공]
핵융합에 필요한 온도는? / [국가핵융합연구소 제공]

플라스마 이온온도 1억도 운전은 초전도 토카막 핵융합장치로는 KSTAR가 처음이다.

중국과학원 플라스마 물리연구소는 지난해 11월 초전도 핵융합 실험로 '이스트'(EAST)로 플라스마 1억도를 달성했다고 발표했으나 이는 핵융합 원료인 이온이 아닌 전자의 온도를 높인 것이었다.

초전도 토카막 핵융합 장치는 초전도 자석으로 강력한 자기장을 형성해 초고온 플라스마를 가두는 자기밀폐형 핵융합 장치로, KSTAR와 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)가 채택하고 있다.

KSTAR의 플라스마 이온온도 1억도는 핵융합실증로에 적용할 차세대 플라스마 운전모드를 구현하는 실험을 통해 달성한 것으로, 중성자입자빔가열장치(NBI-1)로 플라스마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 성공적으로 적용한 결과다.

핵융합연구소는 올해 추가되는 NBI-2를 활용해 1억도 이상 초고온 플라스마를 10초 이상 안정적으로 유지하는 것을 목표로 실험을 진행, 핵융합 상용화 구현을 위한 초고온 플라스마의 장시간 운전기술의 기반을 마련할 계획이다.

핵융합 전기발전 개요 / [국가핵융합연구소 제공]
핵융합 전기발전 개요 / [국가핵융합연구소 제공]

플라스마 이온온도 1억도의 초고온 플라스마를 10초 이상 운전하는 데 성공하며, 2025년 첫 플라스마 생성을 목표로 건설 중인 ITER의 운영단계에서 고성능 플라스마 실험을 주도할 수 있는 연구 역량을 갖추게 될 것으로 기대된다.

KSTAR는 또 지난해 전자온도 7천만도의 플라스마를 약 90초간 유지하는 고성능 플라스마 모드(H-모드) 운전에도 성공했다. KSTAR는 2010년 초전도 토카막 장치 중 최초로 H-모드를 구현한 데 이어 2016년 70초 연속운전을 달성하는 등 고성능 플라스마 운전기술 역량을 높여가고 있다.

한국 인공태양 'KSTAR' 모습 / [국가핵융합연구소 제공]
한국 인공태양 'KSTAR' 모습 / [국가핵융합연구소 제공]

핵융합연구소는 오는 20~22일 코엑스에서 KSTAR 운전 10주년 기념행사와 함께 국제 핵융합 학술대회 'KSTAR 콘퍼런스 2019'를 개최, KSTAR의 2018년 플라스마 실험 주요 성과를 발표할 예정이다.

유석재 핵융합연구소장은 "KSTAR가 10년간 매년 발전된 성과를 보여주고 있는 것처럼 핵융합에너지 상용화 기술 개발도 4차 산업혁명 주변 기술에 힘입어 더욱 가속화되고 있다"며 "보다 도전적인 목표 아래 세계를 선도하는 연구를 이어가겠다"고 말했다.