	보도 자료 □□□□□□□□	보 도 시 점	즉시 보도
		자료배포일	2020년 3월16일(월)		매수	20
커뮤니케이션팀	담당 : KSTAR연구센터	센터장	윤시우	042)879-5100 010-4479-3362

인공태양 KSTAR, 1억도 초고온 플라즈마 8초간 운전 성공

세계 모든 핵융합장치 중 초고온 플라즈마 운전 최고 기록 달성

핵융합 상용화 핵심기술인 초고온 플라즈마 운전 연구선도

한국의 인공태양 KSTAR가 1억도 초고온 플라즈마를 8초간 유지하는 데 성공하면서 세계 핵융합 연구계 새로운 역사를 썼다.

국가핵융합연구소(소장 유석재, 이하 핵융합(연)) KSTAR 연구센터는 ‘19년 8월부터 ‘20년 2월 말까지 진행한 2019년 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합 핵심조건인 1억도 수준의 초고온 플라즈마 운전(유지구간 평균 온도 0.97억도)을 8초 이상 유지하는 데 성공했다고 16일(월) 밝혔다.

국내에서 개발한 초전도핵융합연구장치 KSTAR는 핵융합에너지 상용화 기술 확보를 위해 태양에너지의 원리인 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마 실험을 수행하는 연구시설이다.

KSTAR는 ’18년 실험에서 태양 중심온도(1,500만도)의 약 7배에 달하는 1억도 초고온 플라즈마 운전(유지시간 약 1.5초)에 최초로 성공한 바 있으며, ‘19년 실험에서는 초고온 플라즈마 유지시간을 5배 이상 연장하는 데 성공한 것이다.

세계 초전도 핵융합 연구장치에서 플라즈마 이온온도 1억도 수준의 초고온 플라즈마를 5초 이상 유지하는 데 성공한 것은 KSTAR가 최초이다.

초고온, 고밀도 상태인 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 만들기 위해서는 핵융합로 안에 연료(중수소, 삼중수소)를 넣어 이온 핵과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 만들고, 이온온도를 1억도 이상 초고온으로 가열해야 한다.  핵융합 반응이 활발히 일어나도록 초고온 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 유지하는 것이 핵융합에너지 상용화를 위한 핵심기술이다.

초고온 플라즈마 상태에 도달하기 위해서는 충분한 가열장치가 필수적이며, 이를 지속해서 유지하기 위해서는 안정적인 운전모드 개발이 필요하다. KSTAR는 차세대 플라즈마 운전모드 중 하나인 내부수송장벽 (Internal Transport Barrier, ITB)모드를 플라즈마 형상 및 밀도 제어로 안정적으로 구현하여, 초고온 상태를 장시간 유지에 성공할 수 있었다. 더불어 중성입자빔가열장치 등 KSTAR 가열장치의 효율을 높일 수 있도록 플라즈마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 적용한 덕분이기도 하다.

핵융합(연) 윤시우 KSTAR 연구센터장은 “이번 성과는 본격적인 초고온 운전 실험 단계에 들어선 KSTAR가 다른 장치에서 수행하기 어려운 초고온 플라즈마의 장시간 운전기술 개발에 선도적인 성과를 확보했다는 것을 보여준다.”라고 의미를 밝혔다.

KSTAR는 지난 플라즈마 실험 동안 1억도 초고온 플라즈마 운전뿐 아니라 고성능 운전시나리오 개발, 플라즈마 붕괴완화 실험 등 향후 건설될 ITER 및 핵융합로의 난제 해결을 위한 약 80여 개 주제의 실험들을 수행하였다.

이번 성과를 비롯한 KSTAR 실험결과는 오는 10월 프랑스에서 개최되는 핵융합 연구자들의 올림픽 격인 ’IAEA 핵융합에너지 콘퍼런스(Fusion Energy Conference)’에서 전 세계 핵융합 연구자들에게 공개될 예정이다.

또한, KSTAR는 오는 8월부터 진행될 실험에서는 가열장치의 추가 확보와 제어기술의 개선으로 초전도 토카막의 초고온 운전모드를 포함한 여러 고성능 운전모드의 성능과 지속시간 향상을 위한 실험을 추진할 예정이다. 또한, 2025년 완공을 앞둔 국제핵융합실험로(ITER) 장치의 성공적인 운전을 위해 필요한 여러 당면 과제들 해결에 집중할 계획이다.

핵융합(연) 유석재 소장은 “KSTAR 연구로 얻은 성과와 연구 역량은 국제공동으로 개발 중인 ITER 운전 단계에서 연구 주도권 확보에 기여할 뿐만 아니라, 향후 핵융합실증로 건설을 위한 핵심기술 확보로 이어진다.”라며, “미래 에너지 개발이라는 전 인류적 목표 달성을 위해 세계를 선도하는 도전적인 연구를 이어가겠다.”라고 밝혔다.

첨부 1. 용어 설명

2. KSTAR 실험 성과 개요

3. KSTAR장치 개요

4. KSTAR 연도별 주요성과

5. KSTAR 장치 설명자료

6. 핵융합에너지 관련 설명자료. 끝.

용어 설명

1) 핵융합에너지

태양이 에너지를 내는 원리인 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 과정에서 엄청난 에너지를 발생함. 지구에서 태양과 같은 환경을 인공적으로 만들어주는 핵융합로의 개발을 통해 대용량의 핵융합에너지를 만들어 인류의 미래에너지원으로 활용하고자 연구되고 있음. 바닷물에서 추출 가능한 중수소 및 리튬(삼중수소)을 주원료로 하는 핵융합 발전은 연료가 무한하며, 고준위 방사성 폐기물의 발생이 없고, 폭발 등의 위험이 없는 무한청정 에너지이자 고효율 대용량에너지원으로 인류의 궁극적인 미래에너지원으로 꼽히고 있음

2) KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)

’95년부터 ’07년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합 연구장치로써 ’08년 최초 플라즈마 발생에 성공하였음. 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로 ITER 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치이며 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있으며, 매년 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 핵융합 플라즈마 실험을 수행하고 있음

3) 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 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 상용화를 위한 핵심 과제임

4) 핵융합장치 ‘토카막’ (Tokamak)

태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치. 러시아에서 처음 개발되어 현재 작동 중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있음

5) 내부수송장벽(ITB : Internal Transport Barrier)모드

H-모드는 외부에 장벽(transport barrier)을 형성함으로써 고온의 플라즈마가 빠져나가는 것을 막아 성능을 기존 L-모드 보다 2배 이상 높인 것으로, ITB(내부수송장벽:Internal Transport Barrier) 모드는 이와 유사한 장벽을 플라즈마 내부에 추가적으로 생성시켜 플라즈마 성능을 H-모드 이상으로 확장시키는 차세대 운전 모드임

6) ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

미래 대용량 청정에너지원인 핵융합에너지의 상용화 가능성을 실증하기 위해 한국, 미국, EU 등 핵융합선진 7개국이 공동으로 개발․건설하는 초대형 국제협력 R&D 프로젝트로서 핵융합반응을 통한 500MW급의 열출력을 발생하는 장치를 개발하여 전기생산의 가능성을 실증하기 위한 국제핵융합실험로

참고 1		초전도핵융합연구장치(KSTAR) 실험 성과 개요

□ 개요

ㅇ ‘19년도 KSTAR 운전 캠페인 일정 : ’19.08 ~ ‘20.02 (2개월 연장 운전)

ㅇ 실험 주제 : 고성능 운전시나리오 개발, ITER SPI 붕괴완화 실험 등 약 80개

ㅇ 주요 장치 : (가열) NBI(5 MW), ECH(2 MW), (진단) 톰슨, CES, ECEI 등

□‘19년도 KSTAR 캠페인 핵심 성과 : ~1억도 8초 운전 달성

ㅇ 플라즈마 이온온도 ~1억도(평균 0.97억도), 8초간 유지 달성(24043번째 실험, ’20.02)

- ’18년도 1억도 1.5초 달성(’18.11)에 이어, ‘19년 캠페인에서도 KSTAR 플라즈마 이온온도 ~1억도(평균 0.97억도)를 8초간 유지하는 성능을 달성함

※ 실험 주요 변수 : 자기장 2.5(테슬라), NBI 3MW, 플라즈마 전류 0.6MA

※ 이온온도 측정 장치 : CES(전하교환분광기, Charge Exchange-recombination Spectroscopy)

- 세계 핵융합 연구장치에서 이온온도 ~1억도를 5초 이상 장시간 유지한 최초의 성과로서, KSTAR에서 초고온 플라즈마의 장시간 유지기술을 확보해나가고 있음

< 전년 대비 ‘19 캠페인 ~1억도 초고온 플라즈마 실험 성과 비교 그래프 >

참고 2		초전도핵융합연구장치(KSTAR) 장치 개요

□ KSTAR 장치 개요

ㅇ건설기간 : ’95.12～’07.8 / ㅇ건설비용 : 장치 3,090억, 시설 1,092억 ㅇ참여인력 : 연300여명, 30개 기관 ㅇ 재원 : 장치크기(높이10m, 직경10m), 초전도체 소재(Nb3Sn, NbTi), 초전도자석 무게(약300톤)	ㅇ KSTAR 최종 성능 목표 - 플라즈마 발생시간 : 300초 - 플라즈마 온도/전류 : 3억도/2MA - 초전도 운전온도 : 4K (영하 269도) - 플라즈마 자기장 : 3.5테슬라

< KSTAR 주장치 및 주요 부대장치 현황  >

□ 주요 경과

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

ㅇ ’10.11         초전도 토카막 중 최초로 H-모드 운전 성공

ㅇ ’16.12         세계 최초로 1분 이상 H-모드 운전 성공(70초)

ㅇ ’17.12         ITER 초기 운전 조건 최초 구현 성공

ㅇ ’18.12         플라즈마 중심 이온온도 1억도 달성 성공

ㅇ ’20. 2         초고온 플라즈마 운전 세계 최장기록 달성

참고 3		KSTAR 연도별 주요 성과

구분	주요 내용		핵융합 선진국과 비교
2008			▪세계 최초로 한 번에 종합 시운전 완료 ▪본격적인 핵융합 플라즈마 연구추진 기반 마련
	KSTAR 최초 플라즈마 목표 달성
2009			▪중국 EAST : 최대전류 15kA 운전 ▪프랑스 Tore Supra : 1.4kA 운전
	’09년도 실험 목표 플라즈마 전류 320kA, 유지시간 3.6초 달성
2010			▪초전도 핵융합장치에서의 H모드를 세계 최초로 달성 ▪프랑스의 경우 20년간 H-모드 달성을 위해 노력하였으나 실패
	H-모드 플라즈마 현상	KSTAR H 모드 발생 진단데이터
2011			▪핵융합 선진국에서 해결하지 못한 과학적 난제 해결 * ELM : 플라즈마 경계의 급격한 압력 변화로 인해 밀폐상태를 방해하는 불안정 현상으로, 핵융합의 최대 난제
	H-모드 ELM 제어* 및 H-모드 플라즈마 연장·유지(5.2초)
2012			▪일본과 미국은 H모드에서 10초 수준
	실시간 플라즈마 형상 제어	H-모드 플라즈마 17초 유지
2013			▪불순물 제거기술은 장시간 운전이 요구되는 ITER장치 및 핵융합발전소 등에 반드시 필요한 기술
	KSTAR 플라즈마 내부불순물 제거 실험	H-모드 플라즈마 20초 유지

2014			▪KSTAR의 10,000번째 플라즈마 실험 달성은 성공적인 핵융합 플라즈마 실험이 수행되고 있음을 의미
	KSTAR 10,000샷 달성	H-모드 플라즈마 48초 유지
2015			▪광복70주년 과학기술대표성과 70선 선정 ▪초전도자석 전력소비 없이 외부 가열/전류구동장치를 이용한 100% 비유도성 전류구동 달성(핵융합로 핵심기술)
	광복70주년 과학기술대표성과 70선 선정	100% 비유도성 전류구동(12초) 달성
2016			▪고성능플라즈마(H-모드) 운전 세계최장 기록인 70초 운전 성공 ▪차세대 운전모드인 ITB모드 운전을 초전도토카막 장치로 최초 성공
	고성능플라즈마 운전 세계 최장 기록(70초)	최초 ITB 모드 플라즈마 운전 성공
2017			▪플라즈마 수직 불안정성 개선 및 ITER 기본운전 형상 구현 성공
	고성능 플라즈마 운전 73초 달성	ITER 기본운전 형상구현 성공
2018			▪초전도토카막 최초로 플라즈마 이온온도 1억도 달성
	플라즈마 이온온도 1억도 달성	H-모드 연속운전 88초 달성

참고 4		초전도핵융합연구장치(KSTAR) 설명 자료

1. KSTAR란?

초전도핵융합연구장치 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 핵융합 연구의 후발국이었던 우리나라가 빠르게 선진국과 나란히 핵융합 원천기술을 확보하고, 21세기 핵융합에너지 상용화를 선도하기 위하여 국내기술로 개발·제작한 가장 진보된 형태의 핵융합장치이다. KSTAR는 12년의 개발 기간을 통해 2007년 9월 건설 완공되었으며, 종합 시운전을 거쳐 2008년 7월 최초 플라즈마 발생을 선언하고 본격적인 운영단계에 들어섰다. KSTAR는 국제핵융합공동연구장치로서 핵융합 상용화에 필요한 난제 해결을 위한 실험을 매년 수행하고 있으며, 특히 국제핵융합실험로 ITER의 약 25분의 1규모로, ITER 완공 때까지 ITER 건설 및 운영에 필요한 기초실험 기술 자료를 상호보완적으로 제공하고 있다.

2. KSTAR의 기능

핵융합에너지는 수소같이 가벼운 원자핵이 합쳐져 헬륨처럼 무거운 물질로 변환될 때 발생하는 에너지로 태양에너지의 원리이기도 하다. 핵융합 반응을 위해서는 1억도 이상의 초고온의 플라즈마 상태, 즉 이온화된 기체인 물질의 네 번째 상태가 되어야 하는데, 지구에서 태양과 같은 핵융합 반응이 일어날 수 있는 환경을 만들기 위해서는 KSTAR와 같은 핵융합장치가 필요하다. 태양의 중심보다 더 뜨거운 초고온의 플라즈마를 가두기 위하여 강력한 자기장을 이용한 것이 KSTAR와 같은 토카막형 핵융합장치이며, KSTAR는 특히 저항이 없는 초전도 자석을 이용하여 핵융합 반응을 오랫동안 지속시킬 수 있다.

3. KSTAR의 주요 성과

우리나라는 KSTAR 건설을 통해 세계 최고 성능의 초전도자석 제작기술 등 핵융합 관련 10대 원천기술을 확보할 수 있었으며, 이는 핵융합연구의 후발주자였던 우리나라를 핵융합 주도국 반열에 올려놓았다. 또한 KSTAR 건설에 참여한 70여 개 산업체들은 KSTAR 건설 과정에서 얻은 노하우를 바탕으로 ITER 사업의 국내 조달품목 제작과 ITER 국제기구에 발주하는 사업에 참여하고 있다. 특히 KSTAR에 사용된 신소재 초전도체(Nb3Sn)는 ITER에 사용되는 것과 같은 것으로 현재까지 모든 초전도 자석이 Nb3Sn으로 만들어진 핵융합 장치는 KSTAR가 유일하다. 때문에 KSTAR는 ITER의 축소판으로 불리며 ITER의 본격적인 운영 전에 사전 시험 장치로 세계의 주목받고 있다.

KSTAR는 2008년 최초 플라즈마 발생에 성공한 이후 본격적인 실험에 돌입하여, 2010년에는 초전도 핵융합장치로는 세계 최초로 고성능 플라즈마 상태인 H-모드를 달성하였다. 2011년에는 역시 핵융합 상용화를 위한 필수 과제인 핵융합 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)을 세계 최초로 제어하는데 성공하였다. 이후로도 장시간 운전 기술 분야에서 주도적 위치를 확보하고, 플라즈마 불순물 제거 기술 확보 등 핵융합 상용화 달성을 위한 핵심 기술 확보를 지속하고 있다. 특히 2016년에는 세계 최초로 고성능 플라즈마(H-mode) 운전을 1분 이상(70초) 간 지속하는데 성공하며 초고온 고밀도 플라즈마의 장시간 운전제어 기술을 지속 개발하고 있다. 또한 핵융합 플라즈마경계면불안정(ELM) 현상의 제어 및 플라즈마 내부불순물 제거기술 등 핵융합상용화를 위한 주요 난제 해결을 위한 성과를 거두고 있다. 2018년에 1억도 초고온 플라즈마 운전을 최초로 달성하며 본격적으로 핵융합상용화 핵심 기술 분야인 초고온 플라즈마 운전 연구에 들어갔다.

4. KSTAR 운영의 필요성

핵융합에너지는 에너지 부족 문제와 화석에너지 남용으로 인한 기후변화 문제를 해결할 수 있는 미래 녹색 에너지원으로 가장 주목받고 있다. 핵융합은 바닷물에 많이 포함되어있는 중수소와 리튬을 활용한 에너지로 자원이 거의 무한하고, 온실가스로 인한 환경오염이나 고준위 방사성 폐기물 발생 문제들이 없는 에너지이다. 에너지 수입의존도가 97%가 넘는 우리나라의 경우 새로운 에너지원을 개발하고 에너지 기술을 갖는 것이 국력을 키우고 미래 성장 동력을 만드는 가장 큰 힘이 된다.

복잡한 특성을 지닌 핵융합로 개발과 운영에는 초고온, 고진공, 극저온 등 극한 환경에 필요한 각종 첨단기술이 필요하다. 뿐만 아니라 핵융합로 진단과 제어, 핵융합 시뮬레이션 등에 필요한 다양한 첨단 IT도 접목된다. 이렇듯 첨단기술의 집약체인 핵융합에너지 연구개발은 높은 수준의 과학기술 없이는 연구 진행이 어려워 참여 자체가 우리나라의 첨단과학의 위상을 보여주는 것이라고 할 수 있다. 더불어 연구 과정에서도 다양한 첨단기술 발전을 이끌어 미래 성장 동력 확보에도 기여하게 되는 장점이 있다.

핵융합에너지를 얻기 위한 많은 선진국들의 노력이 계속 되고 있는 지금 우리나라도 KSTAR 연구를 포함한 핵융합 연구에 지속적인 노력을 통해 미래 에너지 기술의 보유국으로 성장할 것으로 기대하고 있다.

참고 5		핵융합에너지 설명 자료

1) 핵융합에너지의 특징

핵융합은 무한한 에너지인 태양에너지의 원리

핵융합이란 간단히 말해 태양이 빛과 열에너지를 만들어내는 원리이다. 태양의 중심부에서는 고온과 고압으로 인해 태양을 구성하고 있는 수소의 원자핵이 ‘융합’하는 현상이 일어나는데, 이때 생기는 질량결손이 에너지의 형태로 발산되는 것이다. 핵융합에너지는 이처럼 태양이 에너지를 만들어내는 ‘핵융합’ 반응을 인공적으로 구현하여 에너지를 만드는 방식으로, 발전 과정에서 이산화탄소 등 온실가스를 발생시키지 않는 청정에너지이다.

고갈 염려가 없는 핵융합에너지 연료

핵융합 발전을 위해 필요한 자원은 중수소와 삼중수소이다. 중수소는 바닷물에서 쉽게 얻을 수 있다. 바닷물은 지구 면적의 71%를 차지하고 있을 정도로 무한에 가까운 자원으로, 바닷물 1L 속에는 0.03g의 중수소가 들어 있다. 삼중수소는 흔하지 않은 자원이지만 핵융합로에서는 ‘리튬’에서 분리하여 생성할 수 있다. 리튬은 노트북이나 핸드폰 배터리에 흔히 사용되는 재료로 지구상에 비교적 풍부하게 매장되어있는 자원 중 하나다. 현재 바닷물에서 리튬을 채취하는 연구가 진행 중이므로 언젠가는 고갈되지 않는 자원인 ‘바다’를 통해 중수소와 삼중수소를 모두 얻을 수 있을 것이다.

핵융합 연료 1그램은 석유 8톤에 해당하는 에너지 생산

핵융합에너지는 연료를 쉽게 얻을 수 있다는 장점 외에, 에너지 효율성 면에서도 타에너지에 비해 월등히 높다. 화력발전이 300만 톤의 석탄을 이용해 만드는 에너지를 핵융합발전은 100kg의 중수소와 3톤의 리튬만으로 생산할 수 있다. 핵융합 연료 1g은 석유 8톤에 해당하는 에너지의 생산이 가능하며, 욕조 반 분량의 바닷물에서 추출할 수 있는 중수소와 노트북 배터리 하나에 들어가는 리튬의 양만으로 한 가정이 30년간 사용할 수 있는 전기를 생산 할 수 있다. 핵융합은 원자력보다도 더 높은 효율을 지닌 에너지로 우라늄-235의 1kg이 핵분열을 할 때 내놓는 에너지는 200억Kcal 정도인 반면, 수소 1kg이 핵융합을 할 때 내놓는 에너지는 1500억Kcal 정도이므로 7배 이상의 에너지 효율이 차이가 난다.

다른 신재생에너지와 다르게 환경적 영향을 받지 않는 기술에너지

풍력이나 태양광 발전 등도 무한에 가까운 에너지를 생산할 수 있으나, 자연환경의 영향을 많이 받고 매우 제한된 조건하에 발전이 가능한 것과는 달리 핵융합은 환경적 요인에 영향을 받지 않아 훨씬 안정적으로 에너지를 만들어 낼 수 있다.

사고 발생 시 폭발이나 심각한 방사능누출의 위험이 없는 안전에너지

최근 국내에도 지진이 발생하며 후쿠시마 원전 사고와 같은 대형 사고에 대한 우려가 더욱 커지고 있다. 원자력에너지의 경우 몇 년간 사용할 연료를 ‘연료봉’ 형태로 원자로 주입하여, 갑작스러운 사고가 발생 시 핵분열 반응을 제어하기 어려운 반면, 핵융합의 경우 지속해 소량의 연료를 주입하는 방식이기 때문에 연료주입을 멈추면 바로 핵융합 반응은 멈추게 된다. 즉 연료주입을 멈추거나 전기를 차단하기만 해도 핵융합 반응을 멈출 수 있어 근본적으로 폭발이 일어날 수 없다.

반감기가 짧은 준저준위 폐기물만 소량 발생

영구 폐기 또는 몇만 년간 땅에 보관해야 하는 고준위 폐기물이 발생하는 원자력 발전과 달리 핵융합은 중저준위 폐기물만 발생한다. 중저준위 폐기물의 경우 수십 년 정도 보관 과정을 거치면 자연 상태로 되돌려 보내도 문제가 없어, 폐기물 관리의 어려움 혹은 안전에 대한 우려에서 자유로울수 있다.

1) 핵융합에너지 상용화 연구

지구에서 핵융합에너지를 얻기위해 필요한 조건

핵융합에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치와 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다. 수억 도의 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있다.

핵융합장치는 이 같은 초고온의 플라즈마를 진공용기 속에 넣고, 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두어 핵융합반응이 일어나도록 하는 원리를 갖고 있다. 이 때문에 핵융합장치 벽면에 직접 닿는 부분의 온도는 수천 도에 불과하다. 핵융합장치는 이처럼 태양에서와 같은 원리로 에너지를 만들어낸다고 해 ‘인공태양’이라 불리기도 한다.

가장 진보한 핵융합 장치 토카막

몇 가지 ‘인공태양’ 방법 중에 국제적인 노력으로 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어한다.

[그림] 토카막의 원리

토카막은 러시아말인 ‘toroiidalonaya kamera(chamber) magnitnykh(magnet) katushkah(coil)’의 첫 자를 따서 만든 합성어로, 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후 세계적으로 우수성을 인정받아, 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

핵융합발전소 작동 원리

핵융합발전로 안에서 일어나는 초고온 플라즈마의 핵융합 반응의 결과물인 중성자의 운동에너지를 열에너지로 변환하여 이를 이용해 증기를 발생시키고, 그 증기가 터빈 발생기를 돌려 전기를 생산한다.

① 고진공용기 안에 연료(중수소와 삼중수소)를 주입 후 플라즈마 상태로 가열한다.

② 토카막의 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둔다.

③ 플라즈마를 약 1억도 이상으로 가열하여 핵융합 반응을 일으킨다.

④ 핵융합 반응 시 나타나는 질량 결손에 의한 핵융합에너지가 중성자의 운동에너지로 나타난다.

⑤ 중성자의 운동에너지가 블랑켓을 통해 열에너지로 변환되어 증기를 가열하고 터빈을 돌려 대용량의 전기 생산

[그림]      핵융합발전소의  구조

세계 핵융합 연구의 역사

핵융합에너지는 지난 50여 년 넘게 많은 선진국에서 경제적 활용 가능성을 검증해왔다. 특히 1990년대 이후 컴퓨터 기술의 발달과 소재 공학의 발달로 핵융합에너지 상용화의 가능성을 확인하게 되었다.

지난 1997년 EU의 대형 토카막 JET에서 세계 최초로 16MW의 핵융합에너지 방출에 성공하고, 98년에는 일본의 JT-60U에서 투입대비 출력에너지가 같은 에너지 분기점(Q=1)을 넘어서 토카막 방식의 가능성을 보여줬다. (Q=1 : 에너지 투입량과 산출량이 같은 시점)

이 같은 90년대 유럽과 미국, 일본의 핵융합 장치를 중심으로 하는 활발한 핵융합 연구성과를 바탕으로 핵융합을 이용한 대용량에너지 생산 가능성을 최종 기술적으로 검증하기 위한 국제핵융합실험로(ITER) 공동개발 사업이 2006년 출범하게 되었다.

2000년대에 들어서는 핵융합연구의 후발주자인 한국(KSTAR, 2007년 완공)과 중국(EAST, 2006년 완공)이 초전도핵융합연구장치 개발에 성공하면서, 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 활발한 연구를 수행하고 있다.

핵융합 상용화를 위해 개발되어야 하는 기술

- 고성능 플라즈마 장시간 유지기술

핵융합 에너지 출력을 높이기 위하여 고성능의 플라즈마를 오랫동안 유지할 수 있는 기술이 필요하다. 기존의 상전도 자석을 이용한 핵융합 장치는 높은 전류가 흐르면 저항에 의한 발열 등으로 장시간 고성능의 플라즈마를 유지하는 것이 불가능하였으나, 우리나라의 초전도 자석을 이용한 핵융합연구장치인 KSTAR와 역시 초전도 자석으로 만들어지는 ITER(국제핵융합실험로) 운전을 통해 고성능 플라즈마를 장시간 유지하는 기술을 공학적으로 실증하게 된다.

- 핵융합 재료 기술

핵융합 반응을 일으키기 위한 초고온의 플라즈마와 같은 극한 환경에서도 파괴되지 않는 재료의 개발이 필요하다. 초고온과 고중성자속의 상태에서도 견딜 수 있는 경제적인 재료가 개발되어야 함에 따라, 기존의 원자력 및 차세대 원전의 재료기술을 공유하여 이를 통한 재료 개발을 추진하고 있다.

- 동력 변환 기술

핵융합 반응의 결과로 나오는 중성자의 운동에너지를 열에너지로 변환하여 이로 증기를 가열하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이 핵융합 발전의 원리이다. 현재 핵융합 반응을 통해 전기를 생산해 낸 경험이 없는 상태로 이를 위해 ITER(국제핵융합실험로)에서는 ‘블랑켓’ 이라는 동력변환 장치를 실험하게 된다. ITER는 열 출력 500메가와트, 에너지 증폭률(Q) 10 이상을 달성하여 에너지 생산을 실증함으로써 효율적으로 에너지를 변환하고 수송하는 기술 개발을 수행하게 된다.

- 플라즈마 제어 기술

가장 어려운 부분에 해당되는 것은 초고온 플라즈마의 움직임을 물리적으로 이해하고 제어하는 것이다. 핵융합로 내의 초고온의 플라즈마에서는 허리케인보다도 더 복잡하고 이해할 수 없는 난류(turbulence)들이 발생하여 핵융합을 방해하게 된다. 핵융합이 잘 되는 조건의 플라즈마를 만들기 위해서는 이러한 난류를 이해하고 제어할 수 있는 기술을 개발하여야 하며, 이를 위해 현재 가동되고 있는 전 세계 핵융합 장치에서는 플라즈마의 난류를 이해하고 제어하기 위한 실험들이 활발히 수행 중이다. 특히 KSTAR는 세계 핵융합장치 중 유일하게 전자온도영상진단장치(ECEI)를 보유하고 있어 플라즈마 난류 관측을 통한 세계적 연구성과를 얻고 있다.

핵융합 상용화 예상 시기

핵융합에너지는 지난 60여 년 동안 많은 선진국에서 경제적 활용 가능성을 검증하기 위해 노력해 왔으며, 특히 1990년대에는 대형 토카막 실험을 통해 핵융합 발전 가능성에 대한 과학적 실증을 확인하였다. 현 단계에서는 경제성을 고려해 가장 효율적인 방법을 찾기 위한 공학 기술적 연구가 활발하게 진행되고 있다. 상용화 계획은 크게 보았을 때, 국제공동실험로인 ITER, 상용화 검증을 위한 실증로인 DEMO, 그리고 실제 발전을 할 발전소의 세 단계로 이루어질 예정이다.

세계가 공동으로 핵융합상용화를 위해 추진하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 건설이 완공되는 2025년 이후에는 본격적인 실험을 통해 핵융합 상용화에 필요한 기술들의 검증이 이루어질 것이다. 이후 2040년대 핵융합실증로를 건설하고 핵융합을 이용한 전기생산을 실증하게 되면, 상용로 건설이 가능하다고 보고 있다. 우리나라는 ITER 실험 참여와 함께 국내에서 운영하는 핵융합연구장치인 KSTAR의 실험을 통해 얻은 핵융합 기술을 바탕으로 실제 핵융합에너지를 이용한 전기생산을 실증하는 핵융합실증로(K-DEMO)의 건설을 계획하고 있다.