‘땅 위의 태양’ KSTAR, 1억도 20초간 타올랐다

케이스타 주장치/사진=핵융합연

‘땅 위의 인공태양’이라 불리는 ‘KSTAR’(케이스타)가 1억도 초고온 플라즈마를 20초간 유지하는 데 성공했다.

24일 한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합연) 케이스타 연구센터에 따르면 서울대, 미국 콜롬비아대와 함께 진행한 올해 플라즈마 공동연구·실험을 통해 핵융합 핵심 조건인 섭씨 1억도 초고온 플라즈마를 20초 이상 연속 운전하는 데 성공, 세계 최장 운전 기록을 달성했다.


섭씨 1억도는 태양 중심 온도(1500만도)의 7배에 달하며, 이 상태의 플라스마를 20초간 운전하기는 전 세계 핵융합 장치 가운데 케이스타가 처음이다. 이는 또 지난해 1억도 초고온 플라즈마 운전 기록인 8초를 2배 이상 연장한 성과다.

케이스타는 태양과 같은 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생산하는 초전도 핵융합 연구장치를 말한다. 초고온·고밀도 상태인 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 구현하기 위해서는 케이스타와 같은 핵융합로 안에 연료(중수소, 삼중수소)를 넣어 이온핵과 전자로 분리된 플라즈마(원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질) 상태로 만든 뒤 이온 온도를 1억도 이상 초고온으로 가열·유지해야 한다.

케이스타 진공용기 내부/사진=핵융합연

연구진은 2018년 실험에서 최초로 플라즈마 이온온도 1억도를 약 1.5초간 유지하는데 성공한 이후, 2019년 8초, 2020년 9월 14초, 같은 해 10월 20초를 달성하며 매년 새 기록을 경신하고 있다.


그동안 유럽, 일본, 중국 등 다른 국가 핵융합 장치들은 순간적으로 1억도 이상 초고온 플라즈마를 달성하는 데는 성공했지만, 이를 10초 이상 유지하는 벽을 넘지는 못했다. 이는 상전도 장치의 운전 한계, 핵융합로 내에 안정적으로 초고온 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 운전기술 개발이 어렵기 때문이다.

윤시우 핵융합연 케이스타 연구센터장은 “케이스타와 같은 초전도 자석을 이용한 핵융합 장치와 달리 상전도 구리 자석을 사용한 다른 핵융합 장치는 플라즈마를 가두기 위한 강력한 자기장 형성을 위해 높은 전류를 오랫동안 자석에 흘리게 되면, 저항으로 자석의 과도한 온도상승이 일어나 장시간 연속운전이 어렵다”고 설명했다.

반면, 케이스타는 올해 실험에서 플라즈마 운전모드 중 하나인 ‘내부수송장벽(Internal Transport Barrier) 모드’로 플라즈마의 형상·밀도 제어를 안정적으로 구현, 장시간 플라즈마를 유지하는 데 성공했다.

케이스타는 내달 10일까지 플라즈마 발생 실험을 지속할 계획이며, 고성능 플라즈마 운전, 플라즈마 붕괴 완화 실험 등 국내외 공동연구 실험을 포함, 연내 총 110건의 플라즈마 실험을 수행할 예정이다.

KSTAR의 향후 운전 목표는 2021년 30초, 2023년 50초, 2024년 100초를 기록하고, 2025년에 300초 연속운전을 달성하는 것이다. 이를 위해 앞으로 중성자입자빔가열장치-2(NBI-2)를 증설하고, 텅스텐 디버터(불순물제거장치)를 내년부터 교체, 오는 2022년 7월까지 설치·완료할 예정이다.