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KSTAR, 더 오래 뜨거워질 준비 마쳤다
- 등록일2023-12-13
KSTAR, 더 오래 뜨거워질 준비 마쳤다
- 초고온 플라즈마 장시간 운전 위한 텅스텐 디버터 설치 완료 -
- 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 300초 운전 목표 -
한국의 인공태양 KSTAR가 1억도 초고온 플라즈마 장시간 운전 기술 확보를 위한 장치 업그레이드를 성공적으로 마치고, 새로운 환경에서 실험을 시작한다.
한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합(연), 원장 유석재)은 한국형초전도핵융합연구장치 KSTAR의 핵심 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 신규 개발하여 설치를 완료하였으며, 이를 활용한 KSTAR의 첫 번째 플라즈마 실험을 시작한다고 13일(수) 밝혔다.
디버터란 핵융합로 내부에서 발생하는 플라즈마의 강한 열속이 집중되는 진공용기 하단에 위치한 플라즈마 대면장치이다. 디버터는 플라즈마 열속*이 직접 진공용기에 닿지 않도록 방패 역할을 하여 진공용기를 보호하는 동시에 핵융합 과정에서 발생한 각종 불순물을 배출하는 통로가 되어 고성능의 플라즈마가 오래 유지될 수 있도록 돕는다.
*열속(heat flux) : 단위면적 및 단위시간당 들어오는 열에너지의 양
이에, 장시간 초고온 플라즈마를 유지하기 위해서는 플라즈마의 운전 시간과 비례하여 증가하는 열에너지를 잘 견딜 수 있는 우수한 내열 성능을 갖춘 디버터를 확보하는 것이 매우 중요하다.
기존 KSTAR에는 탄소 소재의 디버터가 설치되어 있었으나, 가열 장치의 성능향상 및 1억도 이상 초고온 플라즈마 운전 시간 증가 등으로 탄소 디버터의 열속 한계치를 넘어서게 되었다. 이에 기존의 탄소 디버터를 열속 한계치가 높은 텅스텐 소재의 디버터로 교체하기로 결정하고, ’18년 개발에 착수하였다.
하지만 텅스텐은 금속임에도 충격에 쉽게 깨지는 성질이 있어, 복잡한 형상의 KSTAR 장치에 맞는 디버터를 개발하는 데 어려움이 있었다. 특히 텅스텐과 냉각수가 흐르는 구리소재의 냉각관의 접합이 난관으로 여겨졌으나, 핵융합(연)은 국내 산업체와의 협력을 통해 고온·고압을 이용하여 두 가지 재료를 접합하는 새로운 방식을 고안해 디버터 개발을 추진할 수 있었다.
그 결과, ’21년 첫 번째 시제품 제작에 성공하였으며, ’22년 9월부터 약 1년간 기존 디버터의 해체와 새로 개발한 텅스텐 디버터의 설치를 진행하였다. 새롭게 설치된 디버터는 텅스텐 소재의 모노 블록으로 만들어진 총 64개의 카세트가 모여 KSTAR 내부의 진공용기 하단부를 360도 두르는 형태로 이루어져 있다.
텅스텐은 높은 녹는 점과 저항성, 낮은 방사화 등의 특성을 지닌 소재로 기존 탄소 디버터의 단점으로 여겨졌던 불순물 생성 및 냉각의 어려움 등을 보완할 수 있다. 또한, 열속 한계치도 10MW/m2로 탄소 디버터와 비교하여 성능이 약 2배 이상 향상되었다.
텅스텐 디버터 환경에서 이루어지는 KSTAR의 첫 플라즈마 실험은 오는 21일(목)에 시작하여 ’24년 2월 말까지 진행된다. 주요 목표는 텅스텐 디버터 환경에서 정상적인 장치 운전을 검증하고, 이를 바탕으로 기존에 KSTAR가 달성한 1억도 이상 초고온 고성능 플라즈마 운전 역량을 재현하는 것이다.
KSTAR 연구진은 달라진 디버터 구조에 맞추어 플라즈마 형상의 최적화 방안을 확보하는 등 새로운 디버터 환경의 특성을 빠르게 파악하고 적응하여 최적의 성능을 구현한다는 계획이다.
핵융합(연) 유석재 원장은 “국제핵융합실험로(ITER)와 가장 유사한 장치로 손꼽히는 KSTAR 장치가 ITER와 동일한 텅스텐 소재의 디버터 환경을 갖추게 된 만큼, 향후 ITER의 플라즈마 실험 성공 가능성을 예측할 수 있는 KSTAR의 이번 플라즈마 실험에 전 세계의 관심이 집중되고 있다.”며 “새로운 도전에 나서는 KSTAR의 선도적 연구를 통해 ITER 및 향후 핵융합 실증로 운전을 위한 기술 확보에 앞장서겠다.”고 밝혔다.
한편 KSTAR는 이온온도 1억도 이상의 초고온 고성능 플라즈마 30초 운전에 성공하여 세계 최장 기록을 보유하고 있으며, 2026년까지 300초 운전 달성에 도전하게 된다.
231213_보도자료_2023 KSTAR 플라즈마 실험 시작_배포.hwp
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