인공태양 ‘KSTAR’ 1억도서 48초 운전 성공

2021년 30초 유지 세계기록 경신
핵융합硏, 장시간 운전 기술 확보

우리나라가 독자 개발한 한국형 핵융합 연구로 'KSTAR'의 내부 모습. 융합에너지연구원 제공

우리나라가 태양처럼 핵융합발전으로 에너지를 만들어내는 세상을 열기 위해 한걸음 더 다가섰다.

‘한국의 인공태양' KSTAR가 핵융합 핵심 조건인 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 48초 운전에 성공했는데 이는 세계 신기록이다. 또 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 100초를 돌파하며 세계 최고 수준의 플라즈마 운전 역량을 다시 한번 입증했다.

20일 한국핵융합에너지연구원에 따르면 KSTAR 연구본부는 KSTAR 내벽 부품을 교체한 후 지난해 12월부터 올해 2월까지 첫 번째 플라즈마 실험에서 기존 기록을 경신했다. 핵융합에너지연구원 윤시우 KSTAR연구본부장은 "KSTAR 최종 운전 목표 달성을 위해 가열 및 전류구동 장치의 성능 향상을 순차적으로 진행하고, 장시간 플라즈마 운전에 요구되는 핵심기술을 확보할 계획"이라고 말했다.

KSTAR의 최종 목표는 오는 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 운전 300초를 달성하는 것이다. 이를 위해 KSTAR 내벽 부품 전체를 텅스텐으로 교체하고, 인공지능 기반의 실시간 피드백 제어 기술을 확보하는 등 관련 연구 및 장치 성능 개선에 집중할 계획이다. 이번 실험을 통해 텅스텐 디버터의 성공적인 교체와 성능을 검증하고, 가열·진단·제어 장치 등 KSTAR 주요 구성 요소들이 장시간 플라즈마 운전에 필요한 시스템 안정성을 확보했음을 확인할 수 있었다.

핵융합에너지의 실현을 위해선 핵융합 반응이 활발히 일어나는 초고온·고밀도 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 기술을 확보해야 한다. 국내 기술로 개발된 초전도핵융합장치인 KSTAR는 그간 핵융합 플라즈마 장시간 운전 기술 분야에서 선도적인 연구 성과를 달성해 왔다. 특히 KSTAR는 2018년 최초로 이온온도 1억도 플라즈마 달성 이후 2021년 1억도 플라즈마를 30초 유지하며 세계 기록을 달성한 바 있다.

연구진은 이번 실험에서 기존 확보한 초고온 플라즈마 운전 기술 및 가열장치 성능 향상 등을 기반으로 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 운전을 48초까지 연장하는 데 성공했다. 아울러 고온·고밀도 플라즈마 상태를 유지하는 가장 대표적인 핵융합 운전모드인 고성능 플라즈마 운전모드를 102초간 연속 운전하는 데에도 성공했다.

이는 2023년 KSTAR 내부의 플라즈마 대면 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 교체해, 장시간 플라즈마 운전에 따른 성능 감소 현상을 완화해 플라즈마 성능을 유지할 수 있게 된 덕분이다. 텅스텐 디버터는 기존의 탄소 디버터와 비교하여 동일 열부하에 대해 표면 온도 증가가 약 4분의 1 수준에 불과해 초고온 플라즈마의 장시간 운전에 유리하다.

하지만, 플라즈마 접촉 시 생성되는 불순물에 의한 에너지 손실의 어려움도 있어, 이를 극복하기 위한 운전 기술이 요구된다.

[e-mail] 김만기 기자