우리나라 독자 기술로 만든 차세대 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)가 장시간 안정 운용을 위한 첫발을 내디뎠다. 핵융합 에너지 상용화에 한발 더 다가섰다.
교육과학기술부와 국가핵융합연구소(NFRI)는 `2012년 KSTAR 플라즈마 실험결과` 발표에서 고성능 운전 조건(H-모드)에서 플라즈마를 17초 동안 안정적으로 유지해 핵융합 상용화에 필수인 장기간 운전 기반을 닦았다고 26일 밝혔다.
플라즈마는 `제4의 물질 상태`로 불린다. 고체·액체·기체와 달리 초고온에서 전자와 원자핵이 분리된 상태다. 플라즈마는 높은 에너지를 가져 핵융합 발전 가능성이 있지만 상태 유지가 어렵다.
KSTAR는 플라즈마의 물리적 안정성을 보장하는 300초 유지를 목표로 한다. 이 목표 시간까지 도달하려면 시간이 더 걸리지만 비초전도 핵융합장치의 H-모드 운전 시간 한계인 10초 벽을 돌파한 것은 고무적이다. KSTAR 플라즈마 유지 시간은 지난해까지 5.5초에 머물러 지속적인 유지가 사실상 불가능했다. 오영국 KSTAR운영사업단 책임연구원은 “중국이 낮은 전류에서 장시간 플라즈마 유지를 한 적은 있지만 높은 효율로 핵융합 에너지를 활용하려면 고전류가 필요하다”며 “KSTAR의 H-모드에서는 플라즈마를 가두는 효율이 두 배 높다”고 설명했다.
핵융합 플라즈마 운전 안정성 제고 성과가 나타났다. 올해 KSTAR 실험에서 플라즈마 압력비를 이론상 한계치까지 높이는 데 성공했다. 플라즈마 압력비가 높을수록 불안정해지지만 이를 극복하면 경제성 있는 핵융합로를 건설할 수 있다. NFRI는 안정화 장치를 추가해 더욱 높은 압력으로 운전 영역을 확대할 계획이다.
플라즈마 경계면 불안정성(ELM)을 해결할 실마리도 찾았다. 고온 플라즈마 경계면은 큰 압력 변화 때문에 불안정하다. 내부 에너지가 밖으로 유출돼 융합로 내벽을 손상시키기 때문이다. 핵융합 상용화를 위해 반드시 해결해야 할 과제다. NFRI과 포스텍 공동으로 개발·설치한 첨단 전자영상진단장치(ECEI)를 이용해 세계 처음 ELM 발생·제어 전 과정의 물리현상을 3차원으로 측정했다.
연도별 KSTAR 플라즈마 주요 운전성과
자료:국가핵융합연구소
권동준기자 djkwon@etnews.com
