'한국형 인공태양' KSTAR, 작동 최소 온도조건 1억도 달성

초전도핵융합연구장치(케이스타)에서 플라스마 이온온도 1억도가 달성됐다. 플라스마가 1억도까지 올라가면 투명해서 육안으로 보이지 않는다. 플라스마 캡처 사진. 국가핵융합연구소 제공

한국형 ‘인공태양’인 초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 플라스마 이온온도를 핵융합을 위한 최소 기준인 1억도까지 끌어올리는 데 성공했다.

국가핵융합연구소(소장 유석재) 케이스타연구센터는 13일 “지난해 8월말부터 12월까지 초전도핵융합연구장치를 가동해 플라스마 이온온도를 1억도까지 올리고 1.5초 동안 안정적으로 유지했다. 플라스마 이온온도 1억도 운전에 성공한 것은 초전도 토카막 핵융합장치로서는 케이스타가 처음이다”라고 밝혔다.

케이스타는 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 중심 온도의 7배에 이르는 것으로, 향후 핵융합 발전 방식인 중수소-삼중수소간 핵융합 반응(D-T반응)이 일어날 수 있는 최적의 온도로 알려져 있다. 태양은 지구보다 중력이 훨씬 커 낮은 온도에서도 핵융합 반응이 쉽게 일어난다. 하지만 지구에서 핵융합 반응을 일으키려면 이온핵과 전자로 분리된 플라스마 상태에서 중수소나 삼중수소 등 이온의 온도가 1억도 이상 초고온이 돼야 한다.

지난해 중국과학원 플라스마물리연구소가 핵융합 실험로 ‘이스트’(EAST)에서 초고온 플라스마 1억도를 달성했다고 발표한 데 대해 윤시우 케이스타연구센터 센터장은 “이스트가 실현한 1억도는 플라스마 전자를 측정한 온도로, 핵융합 발전을 위해서는 이온의 온도를 1억도 이상 끌어올리는 것이 중요하다”고 설명했다. 유석재 소장도 “전자온도는 증착이나 식각 등 반도체 공정에서 중요한 반면 핵융합에서는 이온온도가 중요하다”고 말했다.

케이스타연구센터는 이번 연구에서 중성입자빔가열장치(NBI)를 이용해 플라스마 중심부를 효과적으로 가열하고 내부수송장벽(ITB)이라는 방식을 도입해 고온의 플라스마가 빠져나가는 것을 막는 ‘에이치(H)-모드’를 실현함으로써 플라스마 중심온도를 1억도까지 끌어올렸다. 이 방식으로 전자온도는 0.7억도에서 88초, 이온온도는 0.7억도에서 15초 동안 유지하는 데 성공했다. 케이스타연구센터는 올해 제2의 중성입자빔가열장치(NBI-2)를 추가해 1억도 유지 시간을 10초 이상으로 연장한다는 계획이다. 케이스타는 최종적으로 플라스마 3억도와 초고온 플라스마 연속 운전 300초 달성을 목표로 하고 있다.

국가핵융합연구소는 이번 연구 성과를 오는 20~22일 서울 강남구 코엑스에서 열리는 국제핵융합학술대회 ‘케이스타 컨퍼런스 2019’에서 발표할 예정이다.

이근영 선임기자

토카막 방식인 초전도핵융합연구장치(KSTAR) 전경. 국가핵융합연구소 제공