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'한국 인공태양' KSTAR, 1억도 초고온 플라즈마 실현
오동현 입력 2019.02.13. 13:21
초전도 토카막 장치의 이온온도 1억도 달성은 세계 최초
세계 최초로 1억도 10초 이상 안정적 유지 목표
고성능플라즈마 모드 연속 운전시간 90초까지 연장 성공
【서울=뉴시스】오동현 기자 =
미래에너지원으로 기대되는 '핵융합에너지' 상용화 연구를 위해 개발·운영되는 초전도핵융합연구장치
'KSTAR'가 플라즈마 중심 이온온도를 1억도 이상으로 올리는데 성공했다.
국가핵융합연구소 KSTAR연구센터는
지난해 8월 말부터 12월까지 진행한 KSTAR 플라즈마 실험을 통해
핵융합의 가장 핵심적인 운전조건인 이온온도 1억도 이상 유지하는
초고온 고성능플라즈마를 실현했다고 13일 밝혔다.
KSTAR는 일명 '인공태양'이라 불리는 '토카막'(Tokamak)형 핵융합장치다.
토카막은 태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해
초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치다.
KSTAR는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응이 일어나는
초고온 플라즈마를 만들고 유지하는 실험을 수행하며 핵융합 발전 실현을 위한 연구 개발을 이끌고 있다.
플라즈마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있다.
초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다.
핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은
핵융합 상용화를 위한 핵심 과제다.
플라즈마 이온온도 1억도는 태양 중심 온도의 7배에 달하며,
향후 적용될 핵융합 발전 방식인
중수소-삼중수소 간 핵융합 반응이 일어날 수 있는 최적의 온도로 여겨진다.
플라즈마 이온온도 1억도 운전에 성공한 것은 초전도 토카막 핵융합장치로서는 KSTAR가 처음이다.
태양보다 중력이 훨씬 작은 지구에서 핵융합 반응이 일어나기 위해서는
이온핵과 전자로 분리된 플라즈마 상태에서
이온들(중수소, 삼중수소)의 온도가 1억도 이상 초고온이 돼야 한다.
이번 성과는 향후 핵융합로에 적용될 차세대 플라즈마 운전모드 중 하나인
내부수송장벽(Internal Transport Barrier, ITB) 모드를 구현하는 실험을 통해 달성됐다.
이는 중성입자빔가열장치 등 KSTAR 가열장치의 효율을 높일 수 있도록
플라즈마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 적용한 결과다.
윤시우 KSTAR연구센터장은
"이번 성과는 제한적인 가열장치 입사조건 하에서 진행돼 1억도 이상 초고온 플라즈마를
1.5초의 짧은 시간 동안 유지하는데 그쳤으나,
올해에는 추가로 도입되는 NBI-2(중성입자빔가열장치-2)를 활용해
1억도 이상 초고온 플라즈마를 세계 최초로 10초 이상 안정적으로 유지하는 것이 목표"라고 밝혔다.
초고온 플라즈마의 장시간 운전은 핵융합 상용화 구현을 위한 핵심운전기술이다.
올해 도전적인 연구 목표인 이온온도 1억도 초고온 플라즈마를 10초 이상 운전하는데 성공하면,
국제 공동으로 건설하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 운영단계에서
고성능 플라즈마 실험을 주도할 수 있는 연구 역량을 갖추게 될 것으로 보고 있다.
연구진들은 또한 2018년 KSTAR 플라즈마 실험에서
고성능플라즈마 모드(H-모드) 연속 운전시간을 약 90초까지 연장하는 성과를 달성했다.
KSTAR는 2010년 초전도 핵융합 장치 중
세계 최초로 H-모드를 구현하는데 성공한 이후,
2016년 최초로 1분의 벽을 넘어 70초 연속 운전을 달성했으며,
매년 점진적으로 고성능 플라즈마 운전기술 역량을 높여가고 있다.
이는 초고온, 고진공, 극저온 등
각종 극한 기술이 적용된 핵융합 장치에서 일어나는 플라즈마 물리 현상에 대한 이해를 높이고,
장치 하드웨어의 향상과 더불어 고성능 운전 시나리오를 정밀하게 구현할 수 있게 된 덕분이다.
이 밖에도 플라즈마 가둠 안정성을 나타내는 각종 지표들 역시 전년보다 향상된 것으로 분석돼
앞으로도 지속적인 성능 향상을 기대할 수 있을 것으로 보고 있다.
윤석재 핵융합연구소장은 "KSTAR가 운영된 지난 10년 동안 매년 발전된 성과를 보여주고 있는 것처럼,
핵융합에너지 상용화 기술 개발은 4차 산업혁명 주변기술에 힘입어 더욱 가속화되고 있다"며
"보다 도전적인 목표 아래 세계를 선도하는 연구를 이어가겠다"고 밝혔다.
이번에 발표된 KSTAR 2018년 플라즈마 실험 주요 성과는 오는 20일부터 22일까지
서울 코엑스에서 열리는 국제 핵융합 학술대회인
'KSTAR 컨퍼런스 2019'에서 국내외 연구자들에게 발표될 예정이다.
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