한국의 인공태양 KSTAR가 1억℃ 초고온 플라즈마를 20초간 유지하는 데 성공하면서 핵융합 연구의 새로운 역사를 쓰는 세계 최고 기록을 달성했다. 2025년까지 1억℃ 초고온 플라즈마에서 300초 연속운전을 목표로 하는 따끈따끈한 한국의 인공태양 소식을 만나본다.

11월 24일, 한국핵융합에너지연구원(원장유석재) KSTAR(Korea SuperconductingTokamak Advanced Research) 연구센터는 2020년도 KSTAR 플라즈마 실험에서 서울대학교 및 미국 콜롬비아 대학교와 공동연구를 통해 핵융합 핵심 조건인 1억℃ 초고온 플라즈마를 20초 이상 연속 운전하는 데 성공했다고 밝혔다.

해당 기록은 1억℃ 초고온 플라즈마 운전(이온온도 기준)의 세계 최고 기록이자, 2019년도 KSTAR의 초고온 플라즈마 운전 기록인 8초를 2배 이상 연장한 성과다. KSTAR는 2018년 실험에서 최초로 플라즈마 이온온도 1억℃ 달성(유지 시간 약 1.5초)에 성공한 이후 매년 초고온 플라즈마 운전 세계 기록을 경신하고 있다.

※ 용어 설명
KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) : 1995년부터 2007년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합연구 장치로서 2008년 최초 플라즈마 발생에 성공했다. 주요 선진국들이 공동으로 개발하는 국제핵융합실험로 ITER 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치이며 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있다. 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하고 있다.

플라즈마 : 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 네 번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있으며, 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵으로 된 수소이온은 전기적 반발력을 이기고 핵융합하는 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에 서 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 기술 개발의 핵심 과제다.

초고온, 고밀도 상태인 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 만들기 위해서는 KSTAR와 같은 핵융합 장치 내부에 연료를 넣고 핵을 구성하는 이온과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 만든 후, 이온온도를 1억℃ 이상 초고온으로 가열하고 유지해야 한다.

그동안 다른 핵융합 장치는 순간적으로 1억℃ 이상 초고온 플라즈마를 달성하는 데는 성공했지만, 그 상태로 10초 이상 유지하는 벽을 넘지 못했다. 이는 상전도 장치의 운전한계와 핵융합로 내에 안정적으로 초고온 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 운전기술의 개발이 어려웠기 때문이다.

(상전도 장치의 운전 한계: KSTAR와 같은 초전도 자석을 이용한 핵융합 장치와 달리 상전도 구리 자석을 사용한 기존 핵융합 장치는 플라즈마를 가두기 위한 강력한 자기장형성을 위해 높은 전류를 오랫동안 자석에 흘리게 되면, 저항으로 자석의 과도한 온도 상승이 일어나 장시간 연속운전이 어렵다.)

KSTAR는 2020년도 실험에서 지난해 달성한 차세대 플라즈마 운전모드 중 하나인 내부수송장벽(Internal Transport Barrier, ITB) 모드의 성능을 향상시키는 노력을 통해, 기존 초고온 플라즈마 운전의 한계를 넘어 장시간 플라즈마를 유지하는 데 성공할 수 있었다.

한국핵융합에너지연구원 윤시우 KSTAR연구센터장은 “1억℃ 초고온 플라즈마의 장시간 운전기술은 핵융합에너지 실현을 위한 핵융합 핵심 과제로, 이번 KSTAR의 초고온 플라즈마 20초 유지 성과는 장시간 고성능 플라즈마 운전기술 확보를 위한 중요한 전환점이 될 것으로 본다”고 성과와 의미를 진단했다.

지난 8월부터 장치 운전을 시작한 KSTAR는 오는 12월 10일까지 플라즈마 발생 실험을 지속할 계획이다. KSTAR은 고성능 플라즈마 운전 및 플라즈마 붕괴 완화 실험 등 국내외 공동연구 실험을 포함해 총 110건의 플라즈마 실험을 수행하게 된다.

이번 성과를 비롯한 2020년 KSTAR의 주요 실험 결과는 2021년 5월에 개최될 예정인 핵융합 연구자들의 올림픽 ‘IAEA 핵융합에너지 콘퍼런스(Fusion Energy Conference)’에서 전 세계 핵융합 연구자들에게 공개될 예
정이다.

KSTAR의 최종 운전 목표는 2025년까지 1억℃ 초고온 플라즈마의 300초 연속운전을 달성하는 것이다.

한국핵융합에너지연구원 유석재 원장은 “독립 연구기관인 한국핵융합에너지연구원으로 새롭게 출범함과 동시에 세계적인 핵융합 연구 성과를 국민에게 알릴 수 있게 돼 기쁘다”며, “세계 핵융합 연구를 선도하는 기관으로 서 핵융합에너지 실현이라는 전 인류적 목표 달성을 위해 도전적인 연구를 이어가겠다”는 포부를 전했다.

한국핵융합에너지연구원은 지난 11월 20일부로 기존 한국기초과학지원 연구원 부설기관이었던 국가핵융합연구소에서 독립연구기관으로 변경 설립됐으며, 11월 27일 ‘한국핵융합에너지연구원 개원 기념식’을 개최한 바 있다.