인공태양 KSTAR 플라즈마 실험 2만회 달성

KSTAR/사진=핵융합연

‘인공태양’이라 불리는 KSTAR(초전도핵융합장치)가 플라즈마 발생 실험 2만회를 기록했다.

국가핵융합연구소(이하 핵융합연)는 KSTAR 플라즈마 실험을 지난달 26일부터 진행하고 있는 가운데, 4일을 기점으로 KSTAR 장치 완공 이후 전체 플라즈마 발생 실험 횟수가 2만회 기록했다고 5일 밝혔다.


플라즈마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질이다. 초고온의 플라즈마 상태에선 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 상용화를 위한 핵심 과제이다.

KSTAR는 ‘토카막형 핵융합장치’이다. 태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치이다. 핵융합 발전 실현을 위한 핵심기술 개발을 목표로 하고 있다.

핵융합연은 KSTAR의 누적 실험 횟수 2만회에 대해 “세계 핵융합 연구의 중심장치로서 신뢰를 높여가고 있음을 뜻한다”고 말했다.


핵융합연에 따르면 올해에는 플라즈마 온도를 올리기 위해 새롭게 추가된 가열장치 NBI-2(중성입자빔 가열장치)의 시운전을 시작한다. 이를 통해 기존에 가열 성능 부족으로 달성이 어려웠던 고성능 플라즈마 100초 운전에 도전한다.

가열장치의 시운전을 통해 성능이 확인되면 내년에는 추가 중성입자빔 가열을 통해 1억도 플라즈마 운전에도 도전할 예정이다.

연말까지 계속되는 KSTAR 플라즈마 실험은 향후 국제핵융합실험로(ITER)와 핵융합실증로에 필요한 핵융합로 운전 시나리오 개발을 위해 약 120개의 실험주제를 바탕으로 한 2000여 번의 실험이 계획돼 있다.

그중 40%는 핵융합연 연구진이, 30%는 국내 연구진과 공동으로, 나머지 30%는 해외 연구진과 국제 공동 연구로 진행될 예정이다.

윤시우 KSTAR연구센터장은 “금년도 운전 목표인 고성능 플라즈마 운전 100초 도전은 플라즈마 운전에서 중요한 대부분의 물리현상을 규명하고 효과적으로 제어할 수 있는 기술을 확보한다는 데 의미가 있다”며 “100초 운전 성공은 연속운전으로 가는 시발점이자 핵융합 상용화로 가는 변곡점이 될 것”이라고 말했다.

2만회 실험 후 환호하고 있는 핵융합연 연구진들/사진=핵융합연

지난 2007년 세계 처음으로 신소재 초전도(Nb3Sn) 자석을 적용해 완공한 KSTAR는 2008년 첫 번째 플라즈마 발생 실험에 성공한 이후 매년 2000여회 가량의 플라즈마 실험을 수행중이다.

지난 2010년에는 초전도 핵융합장치 중 세계 최초로 고성능 플라즈마 운전(H-모드)에 성공했으며, 2011년에는 핵융합 연구의 최대 난제 중 하나로 꼽히는 ’핵융합 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)6)’을 초전도 토카막 조건에서 제어하는 데 성공한 바 있다.

또 2016년에는 세계 최초로 고성능 플라즈마 지속시간 70초를 달성, 1분의 벽을 넘는 데 성공했다. 2017년에는 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)의 물리 조건을 규명하고 34초간 완벽하게 억제함으로써 ITER 운전에 필요한 운전조건을 최초로 달성하는 성과를 거뒀다.