韓 인공태양 KSTAR, 1억도 플라즈마 30초 유지 성공

한국의 인공태양인 KSTAR가 핵융합의 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마를 30초간 유지하는 데 성공했다고 한국핵융합에너지연구원이 22일 밝혔다.

KSTAR는 2018년 핵융합 플라즈마 이온온도 1억도에 도달하는 데 성공한 후 매년 유지 시간을 연장해왔다. 지난해에는 20초 연속 운전에 성공해 세계 핵융합 장치 중 최장 기록을 달성했다고 연구원 측은 전했다. 이번 실험에서 10초를 더 연장함에 따라 세계적 수준의 연구 성과를 이어가게 됐다.

KSTAR는 1995∼2007년 국내 기술로 개발한 초전도 핵융합연구장치다. 2008년 최초 플라즈마 발생에 성공했다. KSTAR는 주요 선진국이 공동 개발하고 있는 국제핵융합실험로 ITER 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치로, 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하고 있다.

플라즈마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 상태로, 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합에너지를 실현하기 위한 핵심 과제라고 연구원은 설명했다.  

핵융합에너지는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 발생시키는 것으로 탄소가 발생하지 않는 청정 에너지로 주목받고 있다. 초고온·고밀도에서 자연스럽게 핵융합 반응이 일어나는 태양과 달리 지구에서는 핵융합 장치에 연료를 넣고 이온과 전자가 분리된 플라즈마 상태를 만든 뒤 1억도 이상의 초고온으로 가열·유지해야 한다.

연구원은 이번 성과가 KSTAR 가열 성능의 향상 및 최적 자기장 조건 확보를 통한 플라즈마 제어 기술이 개선되면서 핵융합로 운전을 위한 차세대 운전 모드인 내부수송장벽(ITB:Internal Transport Barrier) 모드의 안정성이 향상된 결과라고 설명했다. 

내부수송장벽(ITB)은 고온의 플라즈마가 빠져나가는 것을 막는 기능이다. 대표적 고성능 플라즈마 운전 모드인 H-모드(고성능 운전모드)가 외부에 에너지 장벽을 형성해 플라즈마의 유출을 막는 반면, ITB 모드는 내부에 플라즈마 장벽을 생성시켜 플라즈마 성능을 H-모드 이상으로 확장시키는 차세대 운전 모드이다. 

KSTAR는 앞으로도 운전시간 연장을 위해 전원장치의 개선 및 내벽온도 상승을 억제할 텅스텐 디버터 설치를 계획 중이다. 또 ITB 모드의 안정성 유지를 위한 실시간 피드백제어 기술 확보 등 관련 연구를 통해 2026년 1억도 초고온 플라즈마 유지 300초를 달성하는 것을 목표로 한다. 

핵융합연 유석재 원장은 “지난해 독립연구기관으로 새로운 출발을 알리며 더욱 안정적인 연구 환경 속에서 핵융합에너지 실현을 위한 도전적인 연구를 이어갈 수 있었다”며 “핵융합 핵심기술의 적기 확보를 통해 우리나라가 진정한 에너지 강국이 될 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

송은아 기자 [e-mail]