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한국형 인공태양 KSTAR 1억도 초고온 플라즈마 30초 운전 세계 첫 성공

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한국형 인공태양 KSTAR 1억도 초고온 플라즈마 30초 운전 세계 첫 성공

2021.11.22 15:26
한국의 인공태양 KSTAR가 이온온도 1억 도 초고온 플라즈마 30초 유지에 성공했다. 한국핵융합에너지연구원 제공
한국의 인공태양 KSTAR가 이온온도 1억 도 초고온 플라즈마 30초 유지에 성공했다. 한국핵융합에너지연구원 제공

한국의 인공태양 KSTAR(케이스타)가 핵융합 에너지를 내는 데 핵심 조건인 이온 온도 1억도의 초고온 플라즈마를 30초간 유지하며 초고온 플라즈마 장시간 운전 세계 기록을 또다시 경신했다. 

 

한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구본부는 2021년 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마 운전을 30초간 유지하는 데 성공했다고 22일 밝혔다. 지난해 20초 연속 운전에 성공하며 세계 핵융합 장치 중 최장 기록을 세운 데 이어 2년 연속 세계 기록을 이어갔다. 
 
핵융합 에너지는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 발생시키는 것으로, 탄소를 발생시키지 않는 청정에너지로 주목받고 있다. 핵융합 장치는 연료(중수소와 삼중수소)를 이온과 전자가 분리돼있는 플라즈마 상태로 만든 뒤 1억 도 이상의 초고온으로 가열·유지해 핵융합 반응을 일으킨다. 

 

KSTAR는 국내 기술로 완성한 초전도핵융합연구장치로 2008년부터 핵융합에너지 실현의 핵심인 초고온 플라즈마의 장시간 유지를 위한 기술 확보를 위해 연구를 수행하고 있다. 2018년 핵융합 플라즈마 이온온도 1억도 도달에 성공했고 이후 매년 유지시간을 연장하고 있다. 2020년에는 20초 연속 운전에 성공하며 세계 핵융합 장치 중 최장 기록을 달성했다. 이번 실험을 통해 10초간 추가 연장에 성공하며 세계적 수준의 연구 성과를 이어가게 됐다.

 

중국과학원이 올해 6월 플라즈마 이온온도가 아닌 플라즈마 전자온도로 1억도에 도달해 100초 유지했다고 발표한 바 있지만 핵융합 조건인 이온온도 1억도를 유지하는 KSTAR의 초고온 플라즈마 운전과는 다르다. 윤시우 핵융합연 KSTAR 연구본부장은 “핵융합은 이온이 하는 만큼 이온온도를 1억도 이상 올리는 게 중요하다”며 “중국도 KSTAR처럼 이온 온도를 높이는 중성입자빔 가열장치를 갖고 있지만 아직 제 성능을 내지 못하는 상황”이라고 말했다. 

 

이번 성과는 KSTAR 가열 성능의 향상과 최적 자기장 조건 확보를 통해 플라즈마 제어 기술이 개선되면서 핵융합로 운전을 위한 차세대 운전 모드인 '내부수송장벽(ITB·Internal Transport Barrier)' 모드의 안정성이 향상된 결과다. 

 

대표적인 고성능 플라즈마 운전 모드로 알려진 고성능 운전모드(H-모드)는 외부에 에너지 장벽(transport barrier)을 형성함으로써 고온의 플라즈마가 빠져나가는 것을 막아 성능을 기존 저성능 운전모드(L-모드)보다 2배 이상 높인다. 이와 유사하게 내부수송장벽 모드는 내부에 플라즈마 장벽을 생성시켜 플라즈마 성능을 고성능 운전모드 이상으로 확장시키는 차세대 운전 모드다. 
 

KSTAR는 앞으로도 운전시간 연장을 위해 전원장치를 개선하고 내벽온도 상승을 억제할 텅스텐 디버터 설치를 계획중이다. 내부수송장벽 모드의 안정성 유지를 위한 연구를 통해 2026년 1억도 초고온 플라즈마 유지 300초를 달성한다는 계획이다. 

 

유석재 핵융합연 원장은 “지난해 독립연구기관으로 새로운 출발을 알리며 더욱 안정적인 연구 환경 속에서 핵융합에너지 실현을 위한 도전적인 연구를 이어갈 수 있었다”며 “핵융합 핵심기술의 적기 확보를 통해 우리나라가 진정한 에너지 강국이 될 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

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