용어사전

차세대 초전도핵융합연구장치

[Korea Superconducting Tokamak Advanced Research, KSTAR]

수소 핵융합 반응에서 나오는 에너지로 전기를 생산하는 핵융합 발전의 실현 가능성을 확인하기 위해 2007년 구축한 한국형 초전도 핵융합연구장치."인공태양" 연구장치인 셈이다.

핵융합 반응 조건에 부합하는 플라즈마 상태를 유지하면서(정상상태 운전방식, Steady-state) 300초 지속 운전을 목표로 한다. KSTAR는 설계와 개발부터 제작까지 모든 과정을 순수 우리 기술로 만들었다.

KSTAR는 초전도 자석으로 만들어지는 토카막(Tokamak) 방식을 채택, 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다. 토카막 장치에서 자기장을 발생시키는 구리 전자석은 저항으로 인해 열을 발산하는데 이 열을 냉각시키기 위해 투입되는 냉각장치의 에너지가 핵융합보다 크면 경제성이 떨어진다. 따라서 KSTAR는 이러한 현상을 방지하기 위해 초전도 자석을 이용해 열을 차단, 상당량의 에너지를 절약할 수 있다.

핵융합 발전은 수소가 합쳐질 때 발생하는 막대한 핵융합 에너지에서 전기를 얻는다. 바닷물 1L에 있는 수소로 석유 300L와 맞먹는 에너지를 얻는다. 수소 핵융합 반응은 섭씨 1억도에 가까운 초고온 플라즈마 상태에서 잘 일어난다. 중력에 영향을 받는 땅 위에서 핵융합을 일으키려면 우주에 떠 있는 태양처럼 플라즈마를 둥둥 떠있게 만들어야 한다.

KSTAR는 2008년 7월첫 플라즈마를 발생시킨 이후 점차 운전시간을 늘려왔다. 2016년 9월30일에는 1분(60초)을 넘어 70초간 운전했는데 이는 이 때까지의 운영기록중 세계최장의 기록이다. 연구진은 KSTAR가 최소 300초 이상 고성능 플라즈마를 생성해야 핵융합을 실현할 수 있다고 보고 있다.

2019년 2월 13일 한국핵융합에너지연구원은 2018년 8~12월 ‘KSTAR’를 통해 중수소 이온(원자핵) 온도를 1억 도까지 높이는 데 성공했다. 1억 도는 지구에서 핵융합 발전을 시도할 수 있는 기준점으로 초전도 토카막 장치(초전도 자석을 이용한 설비)를 이용한 실험에서 이온 온도를 1억 도까지 높인 것은 세계 처음이다.

2020년 11월 24일 동연구원은 KSTAR가 1억도의 초고온 플라즈마를 20초 동안 운전하는데 성공했다고 밝혔다. 태양 중심 온도(1500만도)의 7배에 달하는 1억도 수준의 플라즈마를 10초 이상 운전한 것은 전 세계 핵융합 장치 중 케이스타가 처음이다.

그동안 해외의 핵융합 장치들은 순간적으로 1억도 이상 초고온 플라즈마 달성에는 성공했지만 이를 10초 이상 유지하지 못했다. 한국은 지난 1995년 케이스타 개념설계를 시작해 2007년 초전도 자석을 이용한 초전도핵융합연구장치를 한국핵융합에너지연구원 내 설치해 실험을 진행하며 가장 앞선 기록을 달성했다. 앞서 핵융합연은 2018년 1.5초, 2020년 3월에는 8초 넘게 초고온 플라스마를 운전했다.

태양과 같은 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생산하려면 핵융합 토카막 장치(초고온 플라스마를 자기장으로 가두는 도넛 모양 장치) 내에서 초고온 플라스마를 오랫동안 안정적으로 유지하는 것이 중요하다.

불순물이 없는 플라스마를 구현하기 위해서는 극저온·초고진공 상태를 유지하는 기술도 관건이다. 다른 핵융합 장치들은 케이스타와 같은 초전도 자석이 아닌 상전도 구리 자석을 이용하기 때문에 과도한 온도 상승으로 장시간 운전하는 데 한계가 있었다.

연구원은 내부에 자기 장벽을 만들어 플라스마 성능을 고성능 운전 모드 이상으로 확장할 수 있는 '내부수송장벽'(ITB) 모드를 통해 장시간 플라스마를 유지하는 데 성공했다.

최종 목표는 2025년까지 300초 연속 운전하는 것이다. 고성능 플라스마 운전을 위해 내년 디버터(플라스마에서 발생한 열에너지를 다른 곳으로 보내는 장치) 소재를 기존 탄소에서 텅스텐으로 교체할 계획이다.

연구원은 2040년 케이스타가 생산한 핵융합 에너지로 실제 전기를 생산하는 차세대 핵융합 실증로 '케이데모'(K-DEMO) 운전을 목표로 하고 있다.

국제 핵융합 에너지 개발 프로젝트인 '국제핵융합실험로'(ITER)가 예정대로 2035년 핵융합 에너지의 효율성 실증에 성공하게 되면, 2050년께 핵융합 에너지 상용화가 가능할 것으로 예상된다.


핵융합 발전은 원자력 발전과 달리 방사성 물질이 전혀 나오지 않는다. 에너지 효율도 높다. 이론적으론 바닷물 1L 포함된 수소를 반응시켜 휘발유 300L를 얻을 수 있다. 세계의 이목이 인공 태양 연구에 쏠려 있는 이유다.

한국은 인공 태양 분야에서 세계 정상급 기술력을 갖춘 나라로 꼽힌다. 미국과 유럽이 투자를 소홀히 한 사이 한국과 중국이 인공 태양 연구 선도국으로 발돋움했다. 핵융합연구소는 핵융합 기술을 활용해 전기를 얻을 수 있는 시점을 2050년 안팎으로 전망하고 있다.

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