한국형 '인공태양' KSTAR, 1억도 달성..세계 핵융합 연구 주도

미래의 에너지원으로 기대되는 핵융합에너지 연구장치인 'KSTAR(케이스타)'가 초전도 토카막(Tokamak) 핵융합 장치로는 세계 최초로 '플라스마 중심 이온온도 1억도(℃)'를 달성했다.

국가핵융합연구소(NFRI)는 KSTAR가 지난해 8~12월 진행한 플라스마 실험에서 핵융합의 가장 핵심적인 운전조건인 플라스마 중심 이온온도 1억도(9keV)를 1.5초간 유지하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

연구소는 플라스마 이온온도 1억도 운전에 성공한 것은 초전도 토카막 핵융합장치로서는 케이스타가 처음이라고 설명했다.

KSTAR는 이른바 ‘인공태양’이라고 불리는 토카막형 핵융합 연구장치로, 태양 에너지가 생산되는 원리인 핵융합 반응을 인공적으로 일으키기 위해 초고온 플라스마를 만들고 유지하기 위한 실험을 지난 2008년부터 10년 동안 수행해오고 있다.

플라스마 이온온도 1억도는 태양 중심온도(1천500만도)보다 7배 정도 높은 온도로, 이온핵과 전자로 분리된 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소 이온이 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 온도로 여겨진다.

핵융합은 태양이 에너지를 생산하는 원리로 수소 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 과정에서 막대한 에너지를 방출한다. 바닷물에서 추출한 중수소와 리튬에서 생산한 삼중수소를 주원료로 하는 핵융합 발전은 인류의 궁극적인 미래 에너지원 후보로 꼽힌다.

태양에서는 매우 큰 중력으로 중심부 플라스마 이온 밀도가 극도로 높아 1천500만도에서도 핵융합이 일어나지만 중력이 훨씬 작은 지구에서 핵융합 반응을 일으키려면 플라스마 이온온도가 1억도 이상 초고온이 돼야 한다.

플라스마 이온온도 1억도 운전은 초전도 토카막 핵융합장치로는 KSTAR가 처음이다.

중국과학원 플라스마 물리연구소는 지난해 11월 초전도 핵융합 실험로 '이스트'(EAST)로 플라스마 1억도를 달성했다고 발표했으나 이는 핵융합 원료인 이온이 아닌 전자의 온도를 높인 것이었다.

초전도 토카막 핵융합 장치는 초전도 자석으로 강력한 자기장을 형성해 초고온 플라스마를 가두는 자기밀폐형 핵융합 장치로, KSTAR와 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)가 채택하고 있다.

KSTAR의 플라스마 이온온도 1억도는 핵융합실증로에 적용할 차세대 플라스마 운전모드를 구현하는 실험을 통해 달성한 것으로, 중성자입자빔가열장치(NBI-1)로 플라스마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 성공적으로 적용한 결과다.

핵융합연구소는 올해 추가되는 NBI-2를 활용해 1억도 이상 초고온 플라스마를 10초 이상 안정적으로 유지하는 것을 목표로 실험을 진행, 핵융합 상용화 구현을 위한 초고온 플라스마의 장시간 운전기술의 기반을 마련할 계획이다.

플라스마 이온온도 1억도의 초고온 플라스마를 10초 이상 운전하는 데 성공하면, 2025년 첫 플라스마 생성을 목표로 건설 중인 ITER의 운영단계에서 고성능 플라스마 실험을 주도할 수 있는 연구 역량을 갖추게 될 것으로 기대된다.

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[CBS노컷뉴스 김선경 기자] sunkim@cbs.co.kr