인류 미래에너지원으로 기대되는 핵융합에너지의 상용화 연구를 위해 국내에서 개발한 초전도핵융합연구장치 KSTAR가 플라즈마 발생 실험 20,000회를 기록했다.

국가핵융합연구소(소장 유석재, 이하 핵융합(연))는 2018년 KSTAR 플라즈마 실험을 지난 8월 26일부터 진행하고 있는 가운데, 9월 4일(화)을 기점으로 KSTAR 장치 완공 이후 전체 플라즈마 발생 실험 횟수 20,000회를 달성하였다고 밝혔다.

KSTAR는 일명 ‘인공태양’이라 불리는 토카막형 핵융합장치로 태양 에너지의 원리인 핵융합 반응이 일어나는 초고온의 플라즈마를 만들고 유지하는 실험을 수행하며, 핵융합 발전 실현을 위한 핵심기술 개발을 목표로 운영되고 있다.

높은 자기장 확보를 위해 세계 최초로 신소재 초전도(Nb₃Sn) 자석을 적용한 KSTAR는 2007년 완공되었다. 2008년 첫 번째 플라즈마 발생 실험에 성공한 이후 매년 2,000여회 가량의 플라즈마 실험을 수행하며 지난 10년간 세계 핵융합 연구계의 난제 해결에 앞장서왔다.

대표적으로 2010년에는 초전도 핵융합장치 중 세계 최초로 고성능 플라즈마 운전(H-모드)에 성공하였으며, 2011년에는 핵융합 연구의 최대 난제 중 하나로 꼽히는 ’핵융합 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)6)‘을 초전도 토카막 조건에서 제어하는 데 성공한 바 있다.

또한, 2016년에는 세계 최초로 고성능 플라즈마 지속시간 70초를 달성하며 1분의 벽을 넘는 데 성공하였으며, 2017년에는 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)의 물리 조건을 규명하고 34초간 완벽하게 억제함으로써 국제핵융합실험로(ITER) 운전에 필요한 운전조건을 최초로 달성하는 성과를 거두었다.

이번 KSTAR의 20,000번째 플라즈마 실험 달성은 장치 완공 이후 10년 동안 체계적인 장치 성능 향상 작업과 유지보수를 통해 지속적으로 고성능 핵융합 플라즈마 실험을 수행하며, 세계 핵융합 연구의 중심장치로서 신뢰를 높여가고 있음을 의미한다.

특히 금년에는 플라즈마 온도를 올리기 위해 새롭게 추가된 가열장치 NBI-2(중성입자빔 가열장치)의 시운전을 시작하며, 기존에 가열 성능 부족으로 달성이 어려웠던 고성능 플라즈마 100초 운전에 도전한다. 가열장치의 시운전을 통해 성능이 확인되면 2019년에는 추가 중성입자빔 가열을 통해 1억도 플라즈마 운전에도 도전할 예정이다.

올해 12월 말까지 계속되는 2018년 KSTAR 플라즈마 실험은 향후 ITER와 핵융합실증로에 필요한 핵융합로 운전 시나리오 개발을 위해 약 120개의 실험주제를 바탕으로 한 2,000여 번의 실험이 계획되어 있다. 그중 40%는 핵융합(연) 연구진이, 30%는 국내 연구진과 공동으로 나머지 30%는 해외 연구진과 국제 공동 연구로 진행될 예정이다.

이와 관련 윤시우 KSTAR연구센터장은 “금년도 운전 목표인 고성능 플라즈마 운전 100초 돌파는 플라즈마 운전에서 중요한 대부분의 물리현상을 규명하고 효과적으로 제어할 수 있는 기술을 확보한다는 데 의미가 있다”며, “100초 운전 성공은 연속운전으로 가는 시발점이자 핵융합 상용화로 가는 변곡점이 될 것이다.”라고 밝혔다.

핵융합(연) 유석재 소장은 “KSTAR 플라즈마 발생 실험 20,000회 달성을 기점으로, 그동안 쌓아 온 성과들을 되돌아보고 향후 핵융합에너지 상용화를 이루기 위한 KSTAR의 역할과 계획을 점검하여 궁극적 목표인 핵융합 발전 실현에 박차를 가할 수 있도록 노력하겠다.”고 밝혔다.