2016년 고성능 핵융합 플라즈마의 세계 최장 유지기록 달성(H-모드 70초)에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 고성능 핵융합 플라즈마의 세계 최장 유지기록 달성(H-모드 70초) 1. 주요 연구성과 정성적 성과 핵융합에너지 상용화를 위한 핵심기술로서 고성능 플라즈마(H-모드)의 장시간 운전기술 확보는 중요하며, KSTAR는 고성능 플라즈마의 장시간 운전기술 확보(최종목표 300초)를 목표로 연구개발 중임 2016년 실험을 통해 고성능 플라즈마 70초 운전을 달성함으로서 세계 최장의 운전기록을 갱신함 이는 KSTAR 뿐만 아니라 현재 건설 중인 핵융합국제공동연구장치 ITER의 운전기술에 있어서도 중요한 기술적 기반이 됨 정량적 성과 논문 1편 준비 중(SCI급), 학술발표 7건(국내 2건, 국외 5건) 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 짧은 지속시간을 갖는 기존 상전도 토카막 장치에서는 검증할 수 없는, 고성능 플라즈마 조건에서의 장시간 운전 및 제어기술을 개발하고 검증한 성과로서, 향후핵융합상용화를 위한 ITER 및 DEMO 운전에 요구되는 기반기술 확보의 의미를 가짐 경제적 및 사회적 측면 고온·고밀도·고자장 극한조건에서 활용을 위한 신재료 개발 및 고자기장 특수환경에서 운용 가능한 신호처리 및 제어시스템 개발을 촉발시켜 관련한 사회·산업분야 활동을 활성화시킬 수 있음 3. 관련그림 연도별 플라즈마 유지시간 2016년 KSTAR 플라즈마 유지 시간

2016년 핵융합로용 차세대 운전모드의 하나인 ITB 모드로 운전 성공에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 핵융합로용 차세대 운전모드의 하나인 ITB 모드로 운전 성공 1. 주요 연구성과 정성적 성과 차세대 토카막 운전 모드로 평가되는 ITB(내부수송장벽 : Internal Transport Barrier) 모드를 KSTAR에서 성공적으로 구현하였음 2016년 실험을 통해 고성능 플라즈마 70초 운전을 달성함으로서 세계 최장의 운전기록을 갱신함 최대 7초간 ITB 운전모드를 안정적으로 유지하였으며, 이는 초전도 자석으로만 건설된 차세대 토카막에서는 처음으로 얻은 성과임 정량적 성과 논문 1편 준비중(SCI 급), 학술발표 3건(국내 2건, 국외 1건) 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 ITB는 연속 운전이 가능한 차세대 핵융합로의 유력한 운전모드의 하나로 평가되고 있음 따라서 ITB의 연구는 물리학적으로나 공학적으로나 토카막에서 매우 중요한 이슈로 평가됨 경제적 및 사회적 측면 ITB의 성공적인 연속 운전은 상업적인 관점에서의 핵융합로가 더 작은 외형과 더 낮은 에너지원으로 가동될 수 있음을 의미함 따라서 핵융합 에너지 상용화에 있어서 가장 중요한 경제 산업적 이슈와 밀접하게 연관되어 있음 3. 관련그림 운전모드에 따른 에너지 가둠 성능 개선 개념도 KSTAR에서의 ITB(빨강) 와 H-모드(회색)의 이온온도 분포 비교 ITB에서 H모드로 전이되는 과정에서의 추가적인 성능 개선을 보여주는 전자온도 분포

2016년 RMP-ELM 물리반응 예측모델 개발과 실험검증 성공에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 RMP-ELM 물리반응 예측모델 개발과 실험검증 성공 1. 주요 연구성과 정성적 성과 3차원 비대칭자기장(RMP)을 활용한 고성능 플라즈마(H-모드) 가장자리 불안정 붕괴현상(ELM) 완벽억제기술 최적화 및 신뢰도 확보 · ELM억제 성공률 : 10% 이하 → 90% 이상 · ELM억제 지속성 : 02초 이하 → 10초 이상 3차원 비대칭자기장(RMP)에 의한 플라즈마 물리특성 변화를 평가·예측할 수 있는 새로운 물리특성반응모델 개발 성공 및 ‘평가의 정확성’과 ‘예측의 신뢰성’에 대한 실험검증 3차원 비대칭자기장 관련 플라즈마 물리특성 및 물리기작 연구를 위한 새로운 전기 마련 RMP-ELM 물리특성반응모델 예측·평가를 통한 새로운 3차원 비대칭자기장 활용방식 발굴·제시 및 이에 대한 실험검증 성공 정량적 성과 논문 4편 준비 중(SCI급), 학술발표 16건 (국내 4건, 국외 12건) 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 3차원 비대칭자기장을 이용한 ELM 불안정성 제어기술의 신뢰성 및 최적화 기술 확보 플라즈마 물리특성반응모델을 기반으로 한, 차세대 핵융합 장치의 3차원 비대칭자기장 최적설계기술 확보 및 설계 불확실성 획기적 개선 경제적 및 사회적 측면 ELM 불안정성 제어의 신뢰도 향상을 통한 디버터(divertor) 및 플라즈마대면구조물 설계이슈를 대폭 완화하여, DEMO 및 상용핵융합로 개발을 위한 선도기술 선점 3. 관련그림 RMP-ELM 물리특성반응모델 분석·예측을 통한 새롭게 도출한 3차원 비대칭자기장 최적구조 3차원 비대칭자기장 최적화를 통한 ELM 붕괴현상 최장 (10초 이상) 완벽억제 실험결과

2016년 MSE 진단계 성능향상 및 KSTAR 전류밀도 분포 측정에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 MSE 진단계 성능향상 및 KSTAR 전류밀도 분포 측정 1. 주요 연구성과 정성적 성과 토카막 안정성 해석을 위한 핵심 진단 기법인 운동슈타르크효과 (Motional Stark Effect; MSE) 진단기법을 세계 최초로 초전도 토카막 장치에서 실용화 정확한 MSE 측정의 방해요소인 패러데이 효과 및 불완전 필터링에 대한 보정법 개발 플라즈마 내부 뒤틀림 불안정성 (sawtooth instability)에 의한 토카막 안전인자 거동 실험적 관측 플라즈마 내부수송장벽 (Internal Transport Barrier; ITB)형성/제어 연구에 대한 핵심 진단 데이터 제공 정량적 성과 논문 3편(SCI급), 학술발표 5건(국내 3건, 국외 2건) 특허 4건(특허등록 3건, 특허출원 1건) 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 플라즈마 불안정성 거동 연구를 위한 핵심 데이터 제공 (토카막 안전인자) 비유도 전류구동 연구에 대한 핵심 데이터 제공 (전류밀도) 경제적 및 사회적 측면 극한 환경에서의 고속 정밀 편광신호 추적/진단/해석 기술에 대한 타산업 분야 (IT 등) 응용 확장 3. 관련그림 패러데이 보정 실험 내부 뒤틀림 불안정성에 의한 토카막 안전인자 (q0) 거동 관측 다른 토카막 운전모드 (L 및 H 모드) 대비 ITB에서의 안전인자 분포 비교도

2016년 KSTAR 전자공명 플라즈마 가열장치(ECH)의 장시간 운전성능 달성에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 KSTAR 전자공명 플라즈마 가열장치(ECH)의 장시간 운전성능 달성 1. 주요 연구성과 정성적 성과 ECH* 출력 확장(105/140 GHz)을 통해 플라즈마의 감금성능 향상, 불순물 제어, 및 NTM 불안정성 모드* 억제를 가능하게 함으로써 KSTAR의 고압 플라즈마에서의 장시간 운전 성능 확보(1MW, 300초 / 플라즈마 운전 70초) 300초 운전 성능 확보: ECH/ECCD 시스템은 국부적인 전자 가열 및 전류구동을 수행함으로써 플라즈마의 모드 제어나 불순물 제어, MHD 불안정성 모드 제어에 필수적으로 이용됨 고성능 플라즈마에서 발생되는 NTM 불안정성 모드는 플라즈마의 성능을 떨어뜨리고 플라즈마 전류를 붕괴시키는 주요 원인으로 ECCD를 이용하여 NTM 모드를 억제함으로써 KSTAR의 high beta, 고성능 플라즈마 운전 기대 가능 * ECH장치는 플라즈마에 마이크로파를 입사해 플라즈마 온도를 올리는 가열장치로서 운전조건에 맞춰 2가지 주파수(105GHz와 140GHz)를 선택할 수 있으며, 100초 이상 장시간 고성능 플라즈마 운전을 위해 필수적임 * 신고전 테어링 모드(Neo-classical Tearing Mode, NTM) 테어링 모드에 의해 생겨난 자기섬들이 자발전류를 요동시키고 가둠효과를 감쇄시켜 플라즈마 붕괴에 이르게 하는 요소 정량적 성과 학술발표 2건 (국내 1건, 국외 1건) 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 토카막 내에서 본 장치와 같은 고출력 장시간 운전사례를 찾아볼 수 없는 만큼, 연속운전을 지향하는 토카막에서 장시간 고출력 가열장치의 개발은 매우 중요한 의미를 가짐. KSTAR의 300초 운전, ITER에서의 준 연속 운전 및 상용핵융합로의 연속운전을 달성할 가능성을 크게 높여주는 의미를 가짐 경제적 및 사회적 측면 고출력 연속운전 고주파 장치는 산업에서의 물성 제어, 비파괴 검사 및 군사적 분야에서 직접 사용될 수 있으며, 본 장치의 부대장치인 고주파 부품들은 통신 분야에 직접 응용됨. 고출력 마이크로파 부품의 국산화 기반 마련에 일조할 것으로 기대됨 3. 관련그림 KSTAR 전자공명 플라즈마 가열장치(ECH)의 장시간 운전성능 달성 300초 운전 조건에 맞춘 2가지 주파수(105GHz와 140GHz) KSTAR 전자공명 플라즈마 가열장치(ECH)를 이용한 고성능 플라즈마 70초 운전 달성

2016년 고온가스 베이킹 및 저온 수냉각 겸용시스템 개발 최초 적용운전 성공에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 고온가스 베이킹 및 저온 수냉각 겸용시스템 개발 최초 적용운전 성공 1. 주요 연구성과 정성적 성과 고온가스 베이킹 및 수 냉각 겸용시스템 개발 수분제거장치 개발 대형 플랜트설비 적용 기술력 축적 정량적 성과 논문 6편(SCI급 2편), 학술발표 6건(국내 4건, 국외 2건) 특허등록 1건 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 배관 재질, 부속품, 용접기술, 측정기술 연구 개발 최소의 비용 투자로 고온가스와 상온의 냉각수를 공급할 수 있는 대형 플랜트설비에 활용 대형 플랜트설비 설계 기반 확보 경제적 및 사회적 측면 핵융합발전소 건설 해외시장 진출 배관부속 및 플랜트설비 신규 사업 개척 가능 3. 관련그림 수분제거장치 수분제거 결과

2016년 핵융합실증로(K-DEMO) 중성자 해석 모델 상세화를 통한 구조물 방사화, 피폭선량, DPA 해석 수행에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 핵융합실증로(K-DEMO) 중성자 해석 모델 상세화를 통한 구조물 방사화, 피폭선량, DPA 해석 수행 1. 주요 연구성과 정성적 성과 Advanced Neutronic Analysis 모델 상세화 완료 K-DEMO 운전 조건에 따른 주변 구조물의 방사화 레벨, 잔류열, 작업자에 대한 피폭선량, 구조물의 손상(DPA, Displacement per Atom) 해석 수행 정량적 성과 논문 2편(SCI급), 학술발표 5건(국내 2건, 국외 3건) 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 Advanced neutronic analysis 모델에 기반한 상세 중성자 영향 해석 결과를 이용하여 핵융합중성자에 의한 구조재료의 손상 정도, 유지보수를 위한 작업자의 접근 허용 정도 등 핵융합실증로 개념개발에 필수적인 설계 입력 자료들을 확보하게 되었음 경제적 및 사회적 측면 핵융합 실증로 개발을 위한 연구개발 기반 조성 및 추진에 기술적 근거 제공 핵융합 실증로의 엔지니어링 단계 진입 시 설계개념 타당성 제고 3. 관련그림 업그레이드된 K-DEMO 중성자 수송해석모델 개발 Equatorial 포트 영역 shutdown dose rate 분포 (위) / radial 방향 shutdown dose rate 분포 그래프 (아래) Shutdown dose level이 100 μSv/h 이하인 영역을 반투명 처리한 접근가능영역 K-DEMO 디버터 텅스텐rmor (빨강)와 RAFM heat sink (검정)에 가해지는 최대 DPA 표시

2016년 Zonal Flow가 언저리 플라즈마 수송장벽 붕괴에 미치는 영향 분석에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 Zonal Flow가 언저리 플라즈마 수송장벽 붕괴에 미치는 영향 분석 1. 주요 연구성과 정성적 성과 토카막 언저리 플라즈마 수송장벽에서 발생하는 불안정성의 정밀 연구를 위해 기존 코드의 물리학적 모델개량: 반자성 및 ExB 압축 항 보정 언저리 수송장벽 불안정성과 Zonal Flow를 자기만족적으로 고려한 최초의 시뮬레이션 성과 수송장벽이 붕괴할 때 불안정한 Ballooning 모드 사이의 비선형적 상호작용에 의해 Geodesic Acoustic Mode(GAM)이 발생하고 이러한 GAM의 불안정성에 의해 작은 2차 붕괴들이 발생함을 보임· 실제 붕괴는 이상 자기유체역학적 불안정성에 의한 “주붕괴”와 GAM 불안정성에 의한 “2차붕괴”의 두 단계로 나누어질 수 있음을 최초로 밝힘· 2차 붕괴는 실험에서 관측되는 Compound ELM 현상 및 펠릿 입사에 의해 유도되는 ELM과 유사성이 있음을 지적함 Zonal Flow가 존재하면 불안정성에 의한 언저리 플라즈마 요동이 가장 불안정한 모드에 응축됨을 발견 정량적 성과 논문 1편 (SCI급) : “Impact of zonal flows on edge pedestal collapse”, Hogun Jhang et. al., Nucl. Fusion, 57 022006 (2017 게재) 학술발표 1건 : 제26차 IAEA Fusion Energy Conference (2016년 10월, 일본 교토) 구두 발표 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 Zonal Flow가 기존의 미소 난류 뿐 아니라 Ballooning Mode의 비선형적 상호작용에 의해서도 발생할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 보임으로서 동 분야의 이론적 연구를 진작시킬 수 있는 동기 제공 언저리 불안정성 동력학의 새로운 해석 방향 제시 3. 관련그림 언저리 수송장벽 붕괴 시 발생하는 스토캐스틱 자기장의 시간 변화 언저리 수송장벽 붕괴 시 폴로이달 압력 비대칭 (P10) 및 Zonal Vorticity (U00)의 시간 및 공간에 따른 변화 (b)/(d) 및 (a)/(c)는 측지곡률 (Geodesic Curvature) 항이 시뮬레이션에 포함될 때와 그렇지 않을 경우를 각각 나타냄 Zonal Flow가 존재 (아래) 및 존재하지 않을 경우 요동 에너지 (Fluctuation Energy)의 시간 변화

2016년 고체형 삼중수소 증식재 대용량 생산 기술 개발에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 고체형 삼중수소 증식재 대용량 생산 기술 개발 1. 주요 연구성과 정성적 성과 핵융합 연료인 삼중수소를 얻기 위해 필요한 삼중수소 증식재 대량 제작 기술을 세계 최초로 개발 ITER 실험에 필요한 증식블랑켓 삼중수소 증식재를 해외 수입에 의존하지 않고 국내 생산 가능 향후 핵융합발전소 상용화에 필요한 핵융합 연료 분야의 핵심 기술력 확보 정량적 성과 중소기업인(주) IVT와 함께 연간 50㎏ 이상 대량 생산이 가능한 제조 시스템 구축(삼중수소 증식재 생산 기술은 리튬 티타늄 산화물인 Li2TiO3를 이용해 직경 1㎜ 크기 볼 형태인 고체형 삼중수소 증식재를 제작하는 기술) 논문 3편 (SCI급), 학술발표 7건(국내 4건, 국외 3건) 특허 2건(특허출원 2건) 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 핵융합로용 고체형 삼중수소 증식재 페블의 국산화로 국가경쟁력 확보※ 현재 리튬 티타늄 산화물 삼중수소 증식재의 수입비용은 1kg 당 3,000만원 수준으로 형성 뛰어난 성능의 페블 제조 가능성이 검증됨으로서 핵융합로 설계 및 개발에 직접적 활용 가능 핵융합 연로분야의 선도적인 연구 수행을 통해 원천기술의 특허를 다수 보유 가능 경제적 및 사회적 측면 한국형 상용 핵융합로 개발에 직접 활용 가능 향후 해외 핵융합 연구 국가에 수출하여 해외시장 진출 기대 핵융합 관련 산업의 육성(생산/고용 증가)과 신산업 창출 기대 3. 관련그림 생산성을 향상시킨 증식재 페블 성형 자동화 장치 직경 1 mm의 삼중수소 증식재용 Li2TiO3 페블

2016년 국제핵융합실험로(ITER) 사업을 통한 해외 수주 확대에 대한 주요 연구성과, 기대효과 및 파급효과, 관련그림 입니다. 2016 국제핵융합실험로(ITER) 사업을 통한 해외 수주 확대 1. 주요 연구성과 정성적 성과 한국형 초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 건설한 경험과 기술력을 토대로 ITER 프로젝트 지속적 수주 ITER 장치의 성공적인 가동에 매우 중요한 부품인 진공용기 수주 등을 통해 핵융합 관련 핵심 기술 확보 및 국내 산업체 매출 증대 정량적 성과 ITER 장치의 핵심품목인 진공용기 2개 섹터 제작, ITER섹터 부조립장비 현지 설치·테스트 사업 등 총 5건, 약 2,079억원 규모의 연구·서비스 용역 및 물품제작 수주 ※ ’16. 12월 말 기준 누적 수주 : 총 94건(5,378억원) 2. 기대효과 및 파급효과 기술적 측면 초고온, 초전도, 고진공 등 첨단 기술을 필요로 하는 인류 최대 규모 과학기술 프로젝트에 참여함으로써 과학기술 선진국으로서의 위상 제고 ITER 사업 참여를 통하여 국제적인 감각을 갖춘 핵융합 이공계 분야 고급 전문인력 양성 경제적 및 사회적 측면 ITER 설계, 제작과정에 참여하는 국내 산업체는 고도 기술 사양이 요구되는 ITER 부품을 국내 기술로 제작하여 극한 기술 축적 및 기술 경쟁력 강화 중소기업의 역량 강화을 통해 신산업 창출 및 해외시장 진출 기대 3. 관련그림 국제핵융합실험로(ITER) 진공용기 추가 제작 계약식, ‘16.7.19 국제핵융합실험로(ITER) 건설관리용역(CMA) 계약식, ‘16.6.30 (단위: 원) ITER 사업 참여를 통한 연도별 우리나라 수주 현황 그래프 구분/년도 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 합계 ITER 국제기구 수주 - 4건 81억 15건 100억 14건 184억 8건 33억 8건 368억 5건 126억 8건 89억 3건 21억 4건 2,074억 69건 3,077억 타 참여국 수주 2건 4억 - - 1건 4억 1건 30억 3건 906억 6건 931억 7건 330억 4건 92억 1건 5억 25건 2,302억 합 계 2건 4억 4건 81억 15건 100억 15건 188억 9건 63억 11건 1,274억 11건 1,057억 15건 419억 7건 113억 5건 2,079억 94건 5,378억 ITER 사업 참여를 통한 연도별 우리나라 수주 현황