국산 인공태양 '케이스타' 1억°C에서 30초 가동됐다

이재은 기자 / 기사승인 : 2021-11-22 12:14:45
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2020년 20초 운전 성공한 이후 10초 늘려
"2026년까지 300초 연속운전 도달이 목표"
▲케이스타 주장치 및 주요 부대장치 현황 (사진=한국핵융합에너지연구원)

'꿈의 에너지'로 불리는 인공태양 기술인 핵융합발전이 우리나라에서도 진전을 보이고 있다.

한국핵융합에너지연구원은 2008년부터 시작된 초전도핵융합연구장치인 '케이스타(KSTAR)가 섭씨 1억°C의 초고온 플라즈마를 30초간 운전하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

핵융합에너지는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 발생시키는 것으로 탄소가 발생되지 않는 청정에너지다. 초고온·고밀도의 환경에서 자연스럽게 핵융합 반응이 일어나는 태양과 달리, 지구에서는 핵융합 장치에 연료를 넣고 이온과 전자가 분리되어 있는 플라즈마 상태를 만든 뒤 1억°C 이상의 초고온으로 가열·유지해야 한다.

문제는 이처럼 태양과 같은 환경을 인공적으로 조성해 핵융합 반응을 유지하려면 엄청나게 많은 비용이 투입돼야 한다는 점이다. 그래서 핵융합발전이 경제성을 갖추려면 '자기점화'가 가능해야 한다. 이 자기점화가 가능한 온도가 바로 1억°C다. 이 온도를 지속적으로 유지하게 되면 외부가열없이 스스로 핵융합 반응을 할 수 있어 경제성이 갖춰지게 된다.

'케이스타'는 지난 2018년 섭씨 1억°C에 처음 도달했다. 이후, 지난해 20초 연속 운전에 성공했고, 올해 실험에서 연속운전 시간을 10초 더 연장하는데 성공했다.

이번 성과는 케이스타 가열성능이 향상과 더불어 최적 자기장 조건을 확보해 플라즈마 제어기술을 개선시켜 핵융합로 운전을 위한 내부수송장벽(ITB 모드3)의 안정성이 향상된 결과다.

'ITB(Internal Transport Barrier)모드'는 내부에 플라즈마 장벽을 생성시켜 플라즈마 성능을 H-모드 이상으로 확장시키는 차세대 운전 모드다. H모드는 대표적인 고성능 플라즈마 운전모드이며, 외부에 에너지 장벽(transport barrier)을 만들어 고온의 플라즈마가 빠져나가는 것을 막아준다.

한국핵융합에너지연구원은 "앞으로 전원장치 개선 및 내벽온도 상승을 억제할 텅스텐 디버터 설치를 통해 연속운전을 늘릴 계획"이라며 "높은 온도에서 ITB 모드의 안정성을 유지할 수 있는 실시간 피드백제어 기술 확보 등을 통해 2026년 섭씨 1억°C에서 300초 연속운전하는 목표를 달성할 계획"이라고 밝혔다.

'디버터(Divertor)'는 핵융합 반응 과정에서 생성된 헬륨 등과 같은 불순물을 핵융합로 외부로 배출시키는 역할을 하는 부품을 말한다. 기존 핵융합 연구장치 수준의 실험에서는 탄소 소재의 디버터로 실험이 가능했지만, 대융량 에너지 생산을 위한 핵융합로 수준의 고성능 플라즈마 운전을 위해서는 텅스텐 소재의 디버터로 실험한다.

한편 미국 핵무기연구소 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)는 섭씨 1억°C를 유지하는 것을 넘어, 지난 8월 핵융합발전 실험에서 1.35메가줄(MJ)에 달하는 에너지를 발생시키는데 성공했다. 이는 자기점화 달성률 70%에 이르는 수치다. 즉 1.9MJ 에너지를 주입해 핵융합발전을 시도한 끝에 1.35MJ 에너지를 얻은 것이다.

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