'인공태양' 핵융합로 손상 막는 기술, KSTAR에서 세계 첫 검증

조선비즈
  • 김윤수 기자
    입력 2020.04.28 14:32 | 수정 2020.04.28 14:47

    "핵융합에너지 상용화 위한 난제 해결"

    국가핵융합연구소(핵융합연)가 '인공태양'으로 불리는 핵융합로의 손상을 막는 기술을 세계 최초로 실험을 통해 검증했다고 28일 밝혔다.

    KSTAR 장치. /국가핵융합연구소 제공
    핵융합연 KSTAR연구센터는 국제핵융합실험로(ITER) 장치 운영 단계에서 계획하고 있는 '플라즈마 붕괴 완화 기술'의 실제 효과를 KSTAR에서 검증했다고 설명했다. 플라즈마 붕괴 완화 기술은 핵융합에너지 상용화를 위해 반드시 해결해야 할 핵심과제이자 난제로 평가받는다.

    가벼운 원자핵들이 합쳐져 하나의 무거운 원자핵이 되는 과정에서 총 질량이 줄어들게 되는데, 이때 줄어든 질량은 에너지로 변한다. 이 에너지를 핵융합에너지라 부른다. 핵융합은 태양과 같은 초고온 환경에서만 일어나는데, 인간이 에너지를 얻기 위해 이같은 환경을 인공적으로 만든 것이 핵융합로이다.

    핵융합로 내부에서 핵융합이 일어나려면 섭씨 영상 1억도 이상의 초고온 플라즈마가 생성돼 오래 유지돼야 한다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체를 넘어 원자핵과 전자가 분리된 제4의 물질 상태이다. 원자핵과 전자가 다시 합쳐져 플라즈마 상태가 끝나면 강한 에너지가 주변으로 뿜어져 나오는데, 이를 플라즈마 붕괴라고 한다.

    핵융합로 내부에서 플라즈마 붕괴가 일어나면 에너지의 충격으로 장치에 심각한 손상이 생길 수 있다. 플라즈마 붕괴 완화 기술은 붕괴로 인한 충격을 최소화해 핵융합로의 안전을 유지하도록 한다.

    이 기술은 플라즈마에 미세한 얼음 입자(아이스펠릿) 같은 불순물을 집어넣으면 붕괴할 때 나오는 에너지가 사방으로 고르게 퍼진다는 원리를 이용했다. 이를 통해 충격이 한곳에 집중돼 손상이 발생하는 일을 막을 수 있다.

    ITER은 아이스펠릿을 빠르게 주입할 수 있는 산탄 입자 주입장치(SPI) 수십기를 동시에 사용해 붕괴 완화 효율을 더 높일 계획을 갖고 있지만, 그 효과가 실험적으로 검증되지 못한 채 남아있었다.

    이에 KSTAR 연구센터는 SPI 2기를 KSTAR에 설치, ITER의 계획처럼 다수의 주입장치를 동시에 사용하는 경우 효과적이고 균일한 에너지 분산이 가능해 붕괴 완화 효율을 크게 끌어올릴 수 있다는 사실을 입증했다.

    유석재 핵융합연 소장은 "이번 성과는 KSTAR의 뛰어난 장치 특성과 연구역량을 바탕으로 핵융합 난제를 해결할 수 있는 선도적인 연구 성과의 대표 사례"라며 "향후 핵융합실증로 개발을 위한 핵심기술 확보를 위해 계속 도전적인 연구를 이어가겠다"고 했다.

    이번 연구성과는 오는 7월 IAEA가 주관하는 플라즈마 붕괴 완화 기술 회의에서 세계 핵융합 연구자들을 대상으로 자세히 발표될 예정이다.



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