초고온 플라즈마 48초 운전···한국 '인공태양' 기록 경신

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 개발한 ‘인공태양’ KSTAR(초전도핵융합장치)가 내벽 부품을 교체하고, 진행한 첫 플라즈마 실험에서 기록을 새로 썼다.

한국의 인공태양 KSTAR 진공용기 내부 모습.(사진=한국핵융합에너지연구원)

한국핵융합에너지연구원은 KSTAR 연구본부가 지난해 12월부터 올해 2월까지 진행한 ‘2023년 KSTAR 플라즈마 실험’에서 핵융합 핵심 조건인 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 48초 운전했다고 20일 밝혔다.

연구원은 지난 2018년에 처음 이온온도 1억도 플라즈마 달성한뒤 2021년에 1억도 플라즈마를 30초 유지한 바 있다. 기록을 재차 경신한 것이다.

핵융합에너지를 실현하려면 핵융합 반응이 활발히 일어나는 초고온·고밀도 플라즈마를 오랜 시간 유지하는 기술이 필요하다. 이를 위해 핵융합 연구자들은 KSTAR와 같은 핵융합 장치를 이용해 플라즈마 운전 연구를 하고 있다.

한국의 ‘인공태양’ KSTAR.(사진=한국핵융합에너지연구원)

KSTAR 연구진은 이번 실험에서 초고온 플라즈마 운전 기술과 가열장치 성능 향상을 기반으로 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 운전을 48초까지 해냈다. 고온·고밀도 플라즈마 상태를 유지하는 대표적인 핵융합 운전모드인 고성능 플라즈마 운전모드(High Confinement mode)도 102초간 연속 운전했다.

연구진에 따르면 지난해 KSTAR 내부의 플라즈마 대면 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 바꿔 장시간 플라즈마 운전에 따른 성능 감소 현상을 완화해 플라즈마 성능을 유지할 수 있게 됐다.

텅스텐 디버터는 기존 탄소 디버터와 비교해 같은 열부하에 대해 표면 온도 증가가 약 4분의 1 수준에 불과해 초고온 플라즈마를 장시간 운전하는데 유리하다. 하지만 플라즈마 접촉 시 생성되는 불순물로 에너지가 손실될 수도 있어 이를 극복하기 위한 운전 기술이 필요하다.

연구진은 텅스텐 디버터의 성공적인 교체와 성능을 검증하고, 가열·진단·제어 장치 등 KSTAR 주요 구성 요소들이 장시간 플라즈마 운전에 필요한 시스템 안정성을 확보했다는 사실을 확인했다.

KSTAR의 최종 목표는 오는 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 운전 300초를 달성하는 것이다. 연구진은 KSTAR 내벽 부품 전체를 텅스텐으로 바꾸고, 인공지능 기반 실시간 피드백 제어 기술을 확보하는 등 연구, 장치 성능 개선에 집중할 계획이다.

유석재 핵융합연 원장은 “핵융합 실증로 운전에 필요한 핵심기술 확보에 청신호가 켜졌다”라며 “KSTAR 장치의 안정적 운영을 바탕으로 국제핵융합실험로 ITER 실험 주도와 핵융합 실증로 건설 ·운전을 위한 핵심기술 확보를 위해 최선을 다하겠다”라고 말했다.