핵융합연, KSTAR에 대칭형 산탄입자 활용해 검증 성공
ITER 운영의 불확실 요소였던 난제 해결

국내 핵융합에너지 연구시설 KSTAR 을 드론으로 촬영한 모습.<영상= 국가핵융합연구소>

국내 연구팀이 핵융합로의 손상을 막고 안정적 운영을 가능케 하는 '플라즈마 붕괴 완화 기술'을 실험적으로 검증하는데 국내에서 처음으로 성공했다.

국가핵융합연구소(소장 유석재)는 초전도핵융합연구장치 KSTAR연구센터에서 대칭형 산탄 입자 주입장치(SPI) 2기를 활용해 국제핵융합실험로(이하 ITER) 장치 운영단계에서 계획하고 있는 '플라즈마 붕괴 완화 기술'을 검증하는데 성공했다고 28일 밝혔다.

핵융합에너지 상용화를 위해서는 인공태양으로 불리는 핵융합로 내부에 태양처럼 핵융합 반응이 일어날 수 있는 초고온 플라즈마를 생성하고 오랫동안 유지해야 한다. 이 과정에서 1억도 이상의 초고온 플라즈마가 갑자기 붕괴하면 엄청난 에너지가 한꺼번에 쏟아진다. 핵융합 장치에 심각한 손상을 입힐 수 있다.

이를 해결할 방법으로 플라즈마에 인위적으로 불순물을 주입해 플라즈마가 붕괴할 때 분출되는 에너지가 한곳으로 집중되는 것을 막고 고르게 분산시킬 수 있는 붕괴완화 기술 개발이 진행 중이다.

플라즈마 붕괴 완화 기술은 핵융합로 운영 중 갑작스러운 이상 상황 발생 시에도 초고온 플라즈마가 지닌 방대한 에너지를 짧은 순간에 안전하게 해소해 장치 손상을 막는 기술이다. ITER 장치의 핵융합 운전단계에서 반드시 해결해야 할 핵융합 상용화 핵심 과제이면서 난제 중 하나였다.

ITER장치에서는 미세한 얼음 입자(아이스펠릿)를 고속으로 주입할 수 있는 산탄 입자 주입장치(SPI) 수십기를 동시에 사용해 플라즈마 에너지를 분산하고 핵융합로 손상을 최소화하는 방식을 활용할 계획이다. 하지만 이 방식의 효과는 그동안 실험적으로 검증되지 못하면서 ITER 운영의 불확실 요소로 남아있었다.

국내 연구팀은 지난해 ITER 국제기구와 플라즈마 붕괴 완화 효과에 관한 공동 연구 수행을 결정하고 2019년 미국 오크리지 국립연구소와 협력해 대칭형 SPI 2기를 KSTAR 장치에 설치했다. 해당 실험 검증을 위해 고에너지 플라즈마 발생이 가능해야 하는데 ITER의 계획을 구현할 핵융합 장치는 KSTAR가 유일하다.

실험결과 기존 1대의 SPI 장치를 활용할 때 보다 여러대의 대칭형 주입장치를 동시에 사용하는 경우 효과적이고 균일한 에너지 분산이 가능해 붕괴 완화 효율을 획기적으로 끌어올릴 수 있다는 사실을 입증했다. 특히 플라즈마 붕괴 완화 단계에서 전자의 밀도가 기존 대비 2배 가까이 높아지면서 장치에 심각한 손상을 일으기는 폭주 전자의 발생을 차단하는 효과를 얻을 수 있었다.

앞으로 KSTAR 연구센터는 이번 성과를 바탕으로 2021년까지 2기의 SPI 장치를 활용해 다양한 플라즈마 붕괴 상황에 대응할 수 있는 기술을 개발할 예정이다. 또 축적된 데이터를 기반으로 ITER의 플라즈마 붕괴 완화 기술에 대한 보다 체계적인 검증을 수행하게 된다.

유석재 소장은 "이번 성과는 KSTAR의 뛰어난 장치 특성과 연구 역량을 바탕으로 핵융합 난제를 해결할 수 있는 선도적인 연구성과를 얻은 대표 사례"라면서 "ITER의 성공적 운영을 위한 사전 연구뿐 아니라 향후 핵융합실증로 개발을 위한 핵심기술 확보를 위해 도전적인 연구를 이어가겠다"고 말했다.

이번 성과는 오는 7월 개최 예정인 IAEA 주관 플라즈마 붕괴 완화 기술회의에서 세계 핵융합 연구자들을 대상으로 자세히 발표될 예정이다.

한편 ITER는 핵융합에너지 대량 생산 가능성을 실증하기 위해 한국, 미국, EU, 중국, 일본, 러시아, 인도 등 7개국이 공동으로 개발, 건설중인 국제핵융합실험로다. 2025년 첫 플라즈마 생성을 목표로 프랑스 카다라쉬 지역에 건설 중이다.

국가핵융합연구소는 KSTAR에 SPI(대칭형 산탄 입자 주입 장치)를 설치해 플라즈마 붕괴시 핵융합로 내부를 보호할 수 있는 실험을 검증하는데 성공했다.<사진= 국가핵융합연구소>
국가핵융합연구소는 KSTAR에 SPI(대칭형 산탄 입자 주입 장치)를 설치해 플라즈마 붕괴시 핵융합로 내부를 보호할 수 있는 실험을 검증하는데 성공했다.<사진= 국가핵융합연구소>
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