KSTAR, 1억도 초고온 플라즈마 실현…중성입자빔가열장치 2호기 도입 '10초 도전'
한국판 ‘인공태양’ KSTAR(초전도핵융합연구장치) 발생 온도가 섭씨 1억도를 찍었다. 인류의 미래 에너지원으로 기대되는 핵융합에너지를 2050년 상용화하겠다는 목표에 한발짝 더 다가설 수 있게 됐다.
국가핵융합연구소(이하 핵융합연)는 지난해 8월 말부터 12월까지 진행한 KSTAR 플라즈마(원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질) 실험을 통해 세계 최초로 이온 온도 1억도(9kev) 이상을 유지한 초고온 고성능 플라즈마를 실현했다고 13일 밝혔다. 유지시간은 1.5초다. 핵융합의 가장 핵심적인 운전조건을 갖췄다는 얘기다.
핵융합 에너지는 무한한 태양 에너지의 근원인 핵융합 반응을 인위적으로 일으켜 이때 발생하는 열 에너지로 전력을 생산하는 구조다. 발전 방식이 태양과 같아 ‘인공태양’이라고도 불린다. KSTAR는 태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치를 말한다.
플라즈마 이온온도 1억도는 태양 중심 온도(약 1500만도)의 7배에 해당한다. 태양보다 중력이 훨씬 작은 지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 이온 핵과 전자로 분리된 플라즈마 상태에서 이온(중수소, 삼중수소) 온도가 1억도 이상 초고온이 돼야 한다. 이온온도 1억도 이상에서 플라즈마 운전에 성공한 초전도 핵융합장치는 KSTAR가 유일하다.
이번 성과는 중성입자빔가열장치 등 플라즈마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 개발·적용한 결과다. 핵융합연 윤시우 KSTAR 연구센터장은 “작년 실험은 1억도 이상 초고온 플라즈마를 짧은 시간 동안만 유지하는 데 그쳤다”며 “올해는 추가로 도입하는 중성입자빔가열장치 2호기를 활용, 1억도 이상 초고온 플라즈마를 세계 최초로 10초 이상 안정적으로 유지하는 것이 목표”라고 밝혔다. 초고온 플라즈마의 장시간 운전은 핵융합 상용화 구현을 위한 핵심기술이다.
핵융합연이 올해 목표를 달성하면 국제 공동으로 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)의 운영단계에서 고성능 플라즈마 실험을 주도할 연구 역량을 확보하게 된다.
앞서 중국과학원(CAS)이 ‘실험용고성능초전도토카막(EAST)’을 이용해 플라즈마를 섭씨 1억도까지 가열하는데 성공했다고 중국 관영 언론들이 보도한 바 있다. 하지만 이는 플라즈마 이온이 아닌 플라즈마 전자의 온도이다. 핵융합연 측은 “핵융합 반응이 효과적으로 많이 일어나게 하기 위한 핵심조건은 전자 온도보다 이온 온도를 초고온으로 유지되도록 하는 것”이라고 설명했다.
