인공태양 KSTAR, 고성능 플라즈마 70초 운전 성공

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KSTAR 전경
<KSTAR 전경>

한국의 인공태양이라 불리는 초전도핵융합장치(KSTAR)가 핵융합에너지 상용화 핵심기술 중 하나인 고성능 플라즈마 운전(H-모드)의 세계 최장 기록을 달성했다. 미래 핵융합발전소에 필요한 차세대 핵융합로 운전 모드 개발 가능성을 보여줬다.

국가핵융합연구소(이하 핵융합연)는 올해 KSTAR 실험에서 고성능 플라즈마 운전을 70초간 지속하는데 성공했다고 14일 밝혔다. 이는 초전도 토카막의 세계 최장 H-모드 운전 기록을 갱신한 것이다. 토카막은 태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치다.

KSTAR 진공용기 내부
<KSTAR 진공용기 내부>

지난해 KSTAR가 달성한 기록은 55초로 기존 세계 최장 기록을 뛰어넘는 성과다. 토카막 장치로서는 유일하게 고성능 플라즈마를 1분(70초) 넘게 운전에 성공했다. 당초 올해 목표는 100초였으나, 중간에 열을 버티는 소재에 문제가 생기면서 100초 목표 달성은 내년으로 미뤄졌다.

핵융합 연구는 태양이 에너지를 내는 원리인 핵융합 반응을 이용한 발전이 최종 목표다. 태양같은 상태인 초고온의 플라즈마를 핵융합장치 내부에 가두고, 지속적으로 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 유지하는 것이 연구의 핵심 과제이다. 연속 플라즈마 운전기술 개발이 핵융합발전 상용화에 필수적이다.

L-모드(저성능 운전모드)는 초창기 핵융합 운전모드로 매우 안정적인 특징을 지니고 있으나, 플라즈마 가둠 성능이 낮다. H-모드는 기존 L-모드의 2배 이상 플라즈마 가둠 성능을 보이는 고성능 운전모드로 현재 KSTAR와 국제핵융합실험로 ITER 등 대표적인 핵융합 장치의 운전모드이다. H-모드는 기존 L-모드 보다 가둠 성능을 좋지만, 플라즈마의 가장자리인 경계면에서 급격한 온도차의 발생으로 인해 플라즈마불안정현상(ELM)이 나타나 플라즈마가 유지되지 못하는 단점이 있다. 금년도 KSTAR에서 새롭게 시도된 ITB 운전은 H-모드 보다 플라즈마 중심부의 온도가 높아 성능이 향상된 반면, 플라즈마 가장자리의 급격한 온도차는 발생하지 않아 ELM이 발생하지 않는다는 장점이 있다.
<L-모드(저성능 운전모드)는 초창기 핵융합 운전모드로 매우 안정적인 특징을 지니고 있으나, 플라즈마 가둠 성능이 낮다. H-모드는 기존 L-모드의 2배 이상 플라즈마 가둠 성능을 보이는 고성능 운전모드로 현재 KSTAR와 국제핵융합실험로 ITER 등 대표적인 핵융합 장치의 운전모드이다. H-모드는 기존 L-모드 보다 가둠 성능을 좋지만, 플라즈마의 가장자리인 경계면에서 급격한 온도차의 발생으로 인해 플라즈마불안정현상(ELM)이 나타나 플라즈마가 유지되지 못하는 단점이 있다. 금년도 KSTAR에서 새롭게 시도된 ITB 운전은 H-모드 보다 플라즈마 중심부의 온도가 높아 성능이 향상된 반면, 플라즈마 가장자리의 급격한 온도차는 발생하지 않아 ELM이 발생하지 않는다는 장점이 있다.>

KSTAR는 2009년 본격 가동 이후 연속 플라즈마 운전기술 개발을 위한 고성능 플라즈마 운전 연구를 중점적으로 수행해왔다. 올해는 실험으로 플라즈마 가둠 성능을 높일 수 있는 차세대 핵융합로 운전 모드 개발 가능성도 보여줬다.

차세대 핵융합로 운전모드 중 하나인 내부수송장벽(ITB)운전 모드를 초전도 핵융합장치 중 최초로 구현했다. ITB모드는 기존 H-모드의 최대 단점으로 꼽히는 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않으면서, H-모드 이상의 장시간 고성능 플라즈마를 효율적으로 제어 할 수 있는 플라즈마 운전 모드이다.

오영국 KSTAR연구센터 부센터장은 “KSTAR가 ITB 운전에 성공하면서, 향후 핵융합발전소에 필요한 운전모드를 실현할 수 있는 새로운 단계의 핵융합로 운전 기술 연구가 가능해졌다”고 말했다.

송혜영기자 hybrid@etnews.com