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		자료배포일	2024년 3월 20일(수)		매수	7
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핵융합 플라즈마 장시간 운전 기술 확보 청신호

- 텅스텐 디버터 환경에서 장시간 플라즈마 운전 성공 -

- 이온온도 1억도 플라즈마 48초, 고성능 플라즈마 운전 100초 달성-

한국의 인공태양 KSTAR가 내벽 부품을 교체한 후 진행한 첫 번째 플라즈마 실험에서 기존 기록을 경신하는 성과를 달성하며, 세계 최고 수준의 플라즈마 운전 역량을 다시 한번 증명하였다.

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합(연), 원장 유석재) KSTAR 연구본부는 지난 ’23년 12월부터 ’24년 2월까지 진행한 2023년 KSTAR 플라즈마 실험을 통해 핵융합 핵심 조건인 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 48초 운전 및 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 102초 운전 기록을 달성하였다고 20일(수) 밝혔다.

핵융합에너지의 실현을 위해서는 핵융합 반응이 활발히 일어나는 초고온·고밀도 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 기술을 확보해야 한다. 이를 위해 핵융합 연구자들은 KSTAR와 같은 핵융합 장치를 이용해 다양한 플라즈마 운전 연구를 수행하고 있다.

국내 기술로 개발된 초전도핵융합장치인 KSTAR는 그간 핵융합 플라즈마 장시간 운전 기술 분야에서 선도적인 연구 성과를 달성해 왔다. 특히 KSTAR는 지난 ’18년 최초로 이온온도 1억도 플라즈마 달성 이후 ’21년 1억도 플라즈마를 30초 유지하며 세계 기록을 달성한 바 있다.

KSTAR 연구진은 이번 실험에서 기존 확보한 초고온 플라즈마 운전 기술 및 가열장치 성능 향상 등을 기반으로 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 운전을 48초까지 연장하는 데 성공하였다.

더불어, 고온·고밀도 플라즈마 상태를 유지하는 가장 대표적인 핵융합 운전모드인 고성능 플라즈마 운전모드(High Confinement mode, H-mode)를 102초간 연속 운전하는 데에도 성공하였다.

이는 지난 ’23년 KSTAR 내부의 플라즈마 대면 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 교체하여, 장시간 플라즈마 운전에 따른 성능 감소 현상을 완화해 플라즈마 성능을 유지할 수 있게 된 덕분이다. 텅스텐 디버터는 기존의 탄소 디버터와 비교하여 동일 열부하에 대해 표면 온도 증가가 약 1/4 수준에 불과해, 초고온 플라즈마의 장시간 운전에 유리하다. 하지만, 플라즈마 접촉 시 생성되는 불순물에 의한 에너지 손실의 어려움도 있어, 이를 극복하기 위한 운전 기술이 요구된다.

핵융합(연) 윤시우 KSTAR연구본부장은 “텅스텐 디버터 환경에서 진행된 첫 실험임에도 불구하고, 철저한 실험 준비를 통해 기존 KSTAR의 성과를 뛰어넘는 결과를 단시간 내에 달성할 수 있었다.”며, “KSTAR 최종 운전 목표 달성을 위해 가열 및 전류구동 장치의 성능 향상을 순차적으로 진행하고, 장시간 플라즈마 운전에 요구되는 핵심기술을 확보할 계획이다.”라고 전했다.

KSTAR 연구진은 이번 실험을 통해 텅스텐 디버터의 성공적인 교체와 성능을 검증하고, 가열·진단·제어 장치 등 KSTAR 주요 구성 요소들이 장시간 플라즈마 운전에 필요한 시스템 안정성을 확보했음을 확인할 수 있었다.

KSTAR의 최종 목표는 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 운전 300초를 달성하는 것이다. KSTAR 연구진은 이를 위해 KSTAR 내벽 부품 전체를 텅스텐으로 교체하고, 인공지능 기반의 실시간 피드백 제어 기술을 확보하는 등 관련 연구 및 장치 성능 개선에 집중할 계획이다.

핵융합(연) 유석재 원장은 “이번 성과로 핵융합 실증로 운전에 필요한 핵심기술 확보에도 청신호가 켜졌다.”며, “KSTAR 장치의 안정적 운영을 바탕으로 국제핵융합실험로 ITER 실험 주도와 핵융합 실증로 건설 및 운전을 위한 핵심기술 확보를 위하여 최선을 다하겠다.”고 밝혔다.

한편, KSTAR 연구진은 이번 플라즈마 실험 성과 외에도 최근 미국 프린스턴 플라즈마 물리연구소(PPPL)와 공동연구를 통해 KSTAR의 외부 자기장을 이용한 오차 자기장 최적화 모델을 개발하고, 플라즈마 가장자리와 중심 부분의 불안정성을 동시에 안정화시킬 수 있는 방안을 실험으로 입증하는데 성공한 바 있다. 관련 논문은 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(’24. 02)에 게재되었다.

*논문명: Tailoring tokamak error fields to control plasma instabilities and transport

<끝>

붙임1		주요 용어 설명

1. 핵융합에너지 : 태양에너지의 원리인 핵융합 반응 과정에서 나오는 에너지로 지구에서 인공적으로 핵융합 반응을 만들어 미래 에너지원으로 활용할 수 있도록 개발하는 연구가 진행되고 있음.

2. 플라즈마 : 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있으며, 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 초고온의 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 기술 개발의 핵심 과제임.

3. KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) :  ’95년부터 ’07년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 우리나라의 초전도 핵융합연구장치로 ’08년 최초 플라즈마 발생에 성공하였음. 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치로 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있으며, 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하고 있음.

4. 국제핵융합실험로 (ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor) : 핵융합 선진 7개국(한국, 미국, EU, 러시아, 인도, 중국, 일본)이 초대형 국제협력 R&D 프로젝트를 통하여 공동으로 개발·건설 중인 국제핵융합실험로. 대용량 핵융합에너지 생산(핵융합 반응에 의한 500MW급의 열출력 발생)의 가능성을 실증하는 것을 목표로 함.

5. H-모드(High-confinement Mode) : 토카막형 핵융합장치를 운전할 때 특정 조건 하에서 플라즈마를 가두는 성능이 약 2배로 증가하는 현상으로, '82년 독일의 ASDEX 장치에서 처음 측정되어 알려짐. 초전도 핵융합장치 중에서는 KSTAR가 '10년 최초로 H-모드를 달성함. H-모드는 핵융합 장치의 우수한 운전 성능을 대표하는 것으로 ITER 장치 역시 H-모드를 기본 운전 모드로 계획하고 있음

6. 디버터(Divertor) : 핵융합로에서 초고온 플라즈마를 운전할 시에 발생하는 강한 열속으로부터 진공용기를 보호하기 위해 장치 하단부에 설치된 핵심 장치. 핵융합로 내부에서 플라즈마와 유일하게 맞닿는 장치로 플라즈마의 형상 조절 및 플라즈마 연소로 발생한 내부 불순물을 외부로 배출시키는 통로 역할도 담당함.

붙임2		2023 KSTAR 캠페인 실험 결과 보고

□ 개요

ㅇ ‘23년도 KSTAR 운전 캠페인 일정 : ’23.12 ~ ‘24.02 (약 3개월간)

ㅇ 실험 주제 : 텅스텐 디버터 업그레이드 이후 플라즈마 변화 관찰 및 운용 방법 확립과 고온·고성능 플라즈마 성능 향상 실험 등 약 25개

ㅇ 주요 장치 :(가열) NBI(6 MW), ECH(1.5 MW), (진단) Da, FIDA, ECEI 등

□ ’23년도 KSTAR 캠페인 핵심 성과 : 초고온 플라즈마 지속시간 연장(1억도 48초) 및 장시간 H-mode 운전 (>100초) 달성

ㅇ 플라즈마 이온온도 1억도, 48초간 유지 달성 (34445번째 실험, ’24.02)

- 텅스텐 디버터(PFC) 및 중성입자빔 성능향상을 통해 1억도 이온 플라즈마의 지속시간(30초 → 48초)을 연장 달성

※ 1억도 이온 플라즈마의 의미 : 수소와 중수소로 이루어진 플라즈마가 발전에 이용될 수준의 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 1억도 정도의 플라즈마 이온 온도가 필요 조건 중 하나임.

※ 실험 주요 변수 : 자기장 2.5(테슬라), NBI 약 4MW, 플라즈마 전류 0.5MA

ㅇ 장시간 고성능 플라즈마 H-mode 102초 최장 운전 달성 (34705번째 실험, ‘24년 2월)

- 텅스텐 디버터 업그레이드로 인한 PFC 열부하 완화로 균일한 플라즈마 성능을 장시간 유지하여 향후 장시간(300초) 고성능 플라즈마 운전 기반 확립

※ 실험 주요 변수 : 자기장 1.95T, NBI 3.9MW, ECH 1.1MW, 플라즈마 전류 0.4MA, 플라즈마 성능 지수 βP 2.5, βN 2.1, 중심전자선밀도 2.9x1019m-3, 중심전자온도 6.5keV

1억도 48초 달성	H-mode 플라즈마 102초 운전 달성

ㅇ 플라즈마 불안정 제어 및 고성능 플라즈마 운전의 동시 달성 성과 네이처논문 게재 (’24.02)

	KSTAR를 활용한 미국 PPPL(양성무), 서울대학교(박종규) 등과의 공동연구를 통해 삼차원 오차 자기장을 적절히 최적화하는 모델을 개발하고, 플라즈마 가장자리의 경계면 불안정 현상(ELM)과 플라즈마 내부의 불안정성 붕괴를 동시에 안정화 시킬수 있음을 실험을 통해 입증함
논문명 : Tailoring tokamak error fields to control plasma instabilities and transport

□ 향후 계획(안)

ㅇ 2026년 텅스텐 디버터 조건에서 초고온 운전모드 300초와 bN>3 고성능 운전 상태를 100초 달성 목표

ㅇ 삼차원 오차 자기장 최적화 및 이를 인공지능(AI) 기반 실시간 제어 기술과 통합하는 추가 연구를 통해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 플라즈마 내부 및 가장자리의 주요 불안정성들을 동시에 억제함과 아울러 플라즈마 성능 및 지속시간도 더욱 향상

붙임3		한국형 초전도핵융합연구장치 KSTAR 개요

□ KSTAR 장치 개요(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)

ㅇ 건설기간 : ’95.12～’07.8 (11년 8개월) ㅇ 건설비용 : 총 4,182억원(장치 3,090억, 시설 1,092억) ㅇ 참여인력 : 연 300여명, 30개 기관 ㅇ 재 원 : 장치 크기(높이10m, 직경10m), 초전도체 소재(Nb3Sn, NbTi), 초전도자석 무게(약300톤)	ㅇ KSTAR 장치 최대 성능 - 플라즈마 발생시간 : 300초 - 플라즈마 전류 : 2MA - 초전도 운전온도 : 4K(영하 269도) - 플라즈마 자기장 : 3.5테슬라

< KSTAR 주장치 및 주요 부대장치 현황  >

□ 추진경과

ㅇ ’95.12～’98.9   KSTAR 개념설계 및 기반기술 R&D 수행

ㅇ ’02. 7～’07.8   KSTAR 장치 제작 및 설치 완료

ㅇ ’08. 6	KSTAR 최초 플라즈마 발생 성공

* 토카막 장치 중 세계최초로 단 1번에 시운전 완료(130kA, 0.865초)

ㅇ ’12.10	KSTAR 실시간 플라즈마 형상제어, 고성능 H-모드에서 플라즈마 12초간 운전 달성

* H-모드 : 토카막형 핵융합장치 운전에서 특정 조건 하에서 플라즈마 밀폐 성능이 약 2배로 증가하는 현상으로 ITER 장치의 기본 운전모드. 초전도 핵융합 장치로써 KSTAR가 세계 최초로 H모드 달성

ㅇ ’14.12	H-모드 플라즈마 45초 안정적 운영(플라즈마 전류 0.6MA)

ㅇ ’15.12	H-모드 플라즈마 55초 유지 및 비유도성 전류구동 12초 달성

ㅇ ’16.12	H-모드 플라즈마 70초 유지 및 비유도성 전류구동 20초 달성

ㅇ ’18. 7	H-모드 플라즈마 88초 유지 및 이온중심온도 1억도(1.5초) 달성

ㅇ ’19.12	1억도 플라즈마 8초 운전(0.8억도 10초 운전 완료)

ㅇ ’20.10	1억도 플라즈마 20초 운전(KFE, 서울대, 美콜롬비아대 공동연구)

ㅇ ’21. 9	1억도 플라즈마 30초 운전 달성

ㅇ ’22. 7	고성능 플라즈마 (bN~3) 12초 운전 달성

ㅇ ’24. 2	1억도 플라즈마 48초 운전 및 H-모드 플라즈마 102초 유지 달성