한국형 핵융합연구로 'KSTAR', 16년 운전에도 '건재' 확인

한국형 핵융합연구로 KSTAR의 모습 /사진=한국핵융합에너지연구원

국내 연구진이 독자 개발한 한국형핵융합연구로 '케이스타(KSTAR)'의 우수성이 실험적으로 검증됐다. 핵심 부품인 '초전도자석'을 16년간 3만 4000회 사용했음에도 성능이 안정적으로 유지됐다.

한국핵융합에너지연구원(핵융합연)은 초전도 핵융합연구장치 KSTAR의 장기간 운전이 초전도자석에 미치는 영향을 평가하기 위해 초전도자석 성능 검증 시험을 시행한 결과, 첫 개발 후 16년이 지났음에도 최대 성능이 유지됨을 확인했다고 24일 밝혔다.


핵융합발전은 가벼운 수소 원자핵들을 충돌시켜 무거운 헬륨으로 바꾸는 과정에서 발생하는 에너지로 전기를 생산하는 방식이다. 태양이 에너지를 뿜어내는 원리와 같아 '인공태양 기술'이라고도 불린다.

핵융합 장치에서 초전도자석은 초고온의 플라스마를 가두고 제어하기 위한 강력한 자기장을 만들어내는 핵심 부품이다. KSTAR는 나이오븀-틴(Nb3Sn, 나이오븀-주석) 소재로 만든 초전도자석을 세계 최초로 적용했다. 한국 연구진이 참여해 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로 '이터(ITER)'도 동일한 초전도자석으로 설계했다.

이 초전도자석은 2008년 KSTAR 장치가 첫 운전을 시작한 후 매년 대전류, 고자장 등 극한 핵융합 환경에 반복적으로 노출됐다. 이에 연구팀은 초전도자석의 성능저하 여부를 검사하기 위해 매년 약 15킬로암페어(kA)에서 에너지 손실 여부를 측정해왔다.


올해는 초전도자석의 성능을 직접 평가했다. 초전도자석에 가해지는 전류를 15kA부터 25kA까지 단계적으로 높이면서 초전도 상태가 깨지거나 열부하가 커지는지 확인했다.

그 결과 초전도자석은 25kA 전류에도 안정적인 상태를 기록했다. 전류가 흐를 때 전기 장비나 회로에서 발생하는 에너지 손실인 '교류손실'로 인한 열부하는 과거보다 더 줄어들었다. 연구팀은 이를 토대로 "16년간 약 3만 4000회 이상 반복 운전했음에도 초전도자석의 성능이 더욱 안정됐다"고 밝혔다. KSTAR의 지속 운전 여부를 판단하는 데도 긍정적인 신호가 될 것이라는 설명이다.

검증 실험을 담당한 이현정 초전도시스템연구그룹 그룹장은 "KSTAR는 전 세계에서 유일하게 나이오븀틴으로 초전도자석을 제작한 핵융합 장치"라며 "KSTAR 운전 과정에서 확보한 초전도자석 데이터는 ITER 운전 및 핵융합 실증로 초전도자석 제작을 위한 중요 자산이 될 것"이라고 의의를 밝혔다.