'1억℃·20초 기록 달성' KSTAR…핵융합 발전 '300초 장벽'도 넘겠다

텡스텐 디버터, 가열장치 등 장치 개선…2025년 300초 목표

KSTAR 진공용기 내부 사진 (한국핵융합에너지연구원 제공) 2020.11.24 /뉴스1

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 한국의 인공태양 초전도 핵융합연구장치 케이스타(KSTAR)가 1억도 초고온 플라스마를 20초간 유지하는 세계 최고 기록을 달성했다. 연구진은 장비 개선을 통해 상용 핵융합 발전을 위해 300초 운전 장벽을 넘겠다는 포부도 밝혔다.

한국핵융합에너지연구원 'KSTAR 연구센터'는 23일 성과발표 언론 간담회를 열고 2020년도 KSTAR 플라스마 실험에서 서울대학교 및 미국 컬럼비아 대학교와 공동연구를 통해 핵융합 핵심 조건인 1억도 초고온 플라스마를 20초 이상 연속 운전하는 데 성공했다고 발표했다.

이날 성과발표를 맡은 윤시우 연구센터장은 "1억℃ 초고온 플라스마 운전(이온온도 기준)의 세계 최고 기록"이라며 "2019년도 KSTAR의 초고온 플라스마 운전 기록인 8초를 2배 이상 연장한 성과"라고 말했다. KSTAR는 2018년 실험에서 최초로 플라스마 이온온도 1억℃ 달성(유지 시간 약 1.5초)에 성공한 이후, 매년 초고온 플라스마 운전 세계 기록을 경신하고 있다.

윤 센터장은 "2025년 300초 유지를 목표로 연구를 노력하고 있다"며 "(상용화를 위해서는) 최종적으로 24시간 돌아가는 장치를 만들어야 하는 데 그것을 검증하기 위해서는 300초를 달성해야 한다"고 말했다.

연구진이 핵융합로 24시간을 위한 검증 단계로 300초를 기준으로 삼은 것은 플라스마 발생, 가열, 고온플라스마와 관련 장비의 상호작용 등 다양한 현상 변화와 변수가 300초 이내에 포함될 것으로 보고있기 때문이다. 즉 핵융합 반응을 300초간 안정적으로 유지하면 고온 플라스마가 안정적인 일종의 '평형 상태'에 도달, 24시간 운전을 위한 기술적 과제가 해결되는 셈이다.

'300초 운전 달성' 등 기술확보를 위해서 현재 KSTAR는 Δ가열장치 증설 Δ텅스텐 디버터 교체 Δ대용량 시뮬레이터 및 인공지능 모델 개발 등 다양한 성능향상 사업을 추진하고 있다. 디버터는 핵융합 플라스마의 막대한 열에너지가 진공 용기에 닿지 않도록하는 역할을 한다.

윤 센터장은 "(현재 사용 중인) 탄소 기반 디버터(카본 디버터)는 핵융합 재료와 반응해 위험도가 높아지는 문제가 있다"며 "반응이 안일어나는 고밀도의 무거운 금속 디버터를 만들어야 한다. 텅스텐으로 교체하는 것은 300초 운전에 도전하는 핵심 업그레이드다"라고 설명했다.

KSTAR 실험 장면 (한국핵융합에너지연구원 제공) 2020.11.24 /뉴스1

현재 장치 건설 중인 국제 핵융합 연구 프로젝트 이터(ITER)에서는 핵융합을 통해 투입 에너지 대비 더 큰 에너지(10배이상)를 발생시키는 것을 목표로 하고 있다. ITER 프로젝트에는 한국, 미국, 유럽연합, 일본, 러시아, 중국 등이 참여하고 있다.

300초 운전과 ITER 프로젝트가 성공적으로 마무리되면 상용 핵융합 발전을 위한 발판이 마련되는 것이다. 이후에는 핵융합을 통해 발생하는 고속 중성자 및 에너지를 활용하기 위한 연구가 필요하다.

한편, 초고온 플라스마 운전 연구를 함께 수행한 나용수 서울대 원자핵공학과 교수는 이번 성과에 대해서 "KSTAR 실험을 통해 장시간 초고온 운전에 성공함으로써 핵융합에너지 실현을 위한 핵융합로 운전 기술 개발에 한 발짝 더 나아가게 되었다"라고 의의를 부여했다.

이번 성과를 비롯한 2020년 KSTAR의 주요 실험 결과는 2021년 5월에 개최될 예정인 핵융합 연구자들의 올림픽인 '국제원자력기구 핵융합에너지 콘퍼런스(IAEA Fusion Energy Conference)'에서 전 세계 핵융합 연구자들에게 공개될 예정이다.

유석재 원장은 "독립 연구기관인 한국핵융합에너지연구원으로 새롭게 출범함과 동시에 세계적인 핵융합 연구성과를 국민에게 알릴 수 있게 되어 기쁘다"며 "세계 핵융합 연구를 선도하는 기관으로서 핵융합에너지 실현이라는 전 인류적 목표 달성을 위해 도전적인 연구를 이어가겠다"라고 밝혔다.
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