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202109.17

우직하게 3만 샷…도전하는 KSTAR가 핵융합의 미래다

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/1317

호시우행(虎視牛行), 핵융합의 결정적 순간을 향한 값진 발걸음


“꿈을 기록하는 것이 나의 목표였던 적은 없다, 꿈을 실현하는 것이 나의 목표이다.”


미국의 사진작가 만 레이가 꿈을 향해 걸었듯 핵융합 상용화의 꿈을 좆는 KSTAR 연구진의 마음도 다르지 않습니다. 핵융합의 미래를 위해 한 걸음 한 걸음 우직하게 걸어 온 14년, 한국의 인공태양 KSTAR가 어느덧 플라즈마 발생 실험 3만 샷(shot. 플라즈마가 1회 발생하는 실험 단위)을 달성했습니다.


“특별할 건 없습니다. 그동안 했던 플라즈마 발생 실험의 연장선이죠. 아직 갈 길이 멉니다.”


지금으로부터 3년 전, 윤시우 KSTAR 연구센터장(現 KSTAR 연구본부장)이 담담하게 2만 샷 달성 순간의 의미를 전하며 말을 아꼈듯, 3만 샷 고지를 앞둔 현장의 분위기도 평소와 다를 바 없습니다. 우리의 목표는 3만 샷이 아니라 핵융합에너지를 실현시키는 일이니까요.


하지만 인생이란 마라톤에서도 평범한 하루하루가 쌓여 입학과 취업, 결혼 등 의미 있는 순간을 맞고 개인의 역사를 이루듯 KSTAR가 쌓아온 플라즈마 3만 샷은 한국 핵융합의 도전의 역사이자 세계 핵융합의 미래 그 자체입니다. 9월 17일(금) 13시 08분, 전광판에 새겨진 30.000이란 숫자와 함께 연구자들의 마음 깊은 곳 뜨거운 감동과 희망이 번지는 까닭입니다.


2008년 첫 플라즈마 샷을 시작하여 2021년 9월 3만샷 달성의 순간을 맞았다.



‘더 오래’, ‘더 뜨겁게’ KSTAR가 걸어온 길


‘1억℃ 초고온 플라즈마 20초 연속운전’

우리 힘으로 개발한 초전도핵융합장치 KSTAR가 2020년 캠페인에서 이룬 쾌거입니다. 수만 샷의 KSTAR 플라즈마 실험은 1억℃ 플라즈마 20초 운전이라는 영광을 실현한 땀방울이자 명실공히 한국의 핵융합 기술을 선진국 수준으로 끌어올린 비결입니다.


지금으로부터 13년 전, KSTAR는 2008년 0.1초 찰나의 불꽃과 함께 플라즈마 연속운전의 가능성을 밝혔습니다. 비록 핵융합 선진국에 비해 출발은 뒤졌지만 해마다 ‘더 오래’, ‘더 뜨겁게’를 목표로 한 걸음씩 전진하였습니다.


2010년 KSTAR는 초전도핵융합연구장치 중 세계 최초로 고성능 플라즈마 운전 모드(H-모드)를 달성하였고, 2016년에는 세계 최초로 고성능 플라즈마 1분 연속운전의 벽을 깨고 72초 운전에 성공했지요. 2018년에는 고성능 플라즈마 88초 연속 운전이란 대기록을 세웠습니다. 같은 해 세계가 놀랄 또 하나의 결실을 이루었는데요. 바로 핵융합 상용 발전의 핵심조건인 플라즈마 이온온도 1억℃ 달성에 성공하며 본격적인 초고온 고성능 플라즈마 운전 시대를 연 것입니다. 2019년에는 1억℃ 초고온 플라즈마 운전 8초의 기록을 발표하며 다시 한번 초고온 플라즈마 장시간 운전기술 개발에 있어 커다란 족적을 남겼습니다.


그리고 2020년 전 세계 핵융합 장치 중 처음으로 태양의 중심온도인 1,500만℃보다 약 7배나 더 뜨거운 1억℃ 상태의 플라즈마를 20초 연속 운전에 성공하였습니다. 20초 연속운전은 단순한 기록이 아닌 KSTAR가 플라즈마 온도, 밀도, 가둠 성능 등 다양한 성능지표를 종합적으로 발전시켜 365일 24시간 가동해야 하는 핵융합 발전소의 가능성을 보여준 상징과도 같습니다.


3만 샷, 고성능 플라즈마 운전 노하우와 기술 축적의 시간


“지난 1000샷이 실패했어도 마지막 성공을 통해 맛보는 희열은 말로 다 표현할 수 없어요. 2019 캠페인 기간 중 초고온 플라즈마 장시간 운전에 할당된 실험 일수는 총 4.5일이었어요. 이 기간에 약 150샷의 실험이 진행됐는데요. 150번 발사해서 딱 한 번만 1억℃, 8초 운전에 성공한 게 아녜요. 비슷한 결과를 얻은 많은 샷 중에 가장 잘 된 것을 고른 것이고, 잘 할 수 있는 방법을 찾았다는 것이 중요하지요.”


2019년 KSTAR 캠페인을 마치며 연구진이 밝혔던 소회 중 일부입니다. KSTAR가 해마다 성취한 최고 운전 기록도 의미 있지만, 그 기록을 달성하기까지 수많은 도전 속에 축적한 노하우와 기술은 더욱더 값진 성과입니다.


KSTAR는 2008년 첫 플라즈마 발생 후 6년만인 2014년 플라즈마 발생 실험 1만 샷을 돌파했습니다. 그로부터 4년 후인 2018년 9월에는 2만 샷을, 그리고 이번에는 3년 만에 3만 샷을 기록하였습니다. 14년 동안 중단 없이, 그리고 기간을 단축하며 3만 샷 실험을 달성했다는 것은 KSTAR가 그만큼 우수하고 안정적인 핵융합 장치라는 방증입니다.


또 하나, 플라즈마를 가두는 노하우가 발전하며 플라즈마의 성능 역시 진화하고 있다는 것도 의미가 큽니다. 초기 1만 샷까지 플라즈마 발생과 유지 능력이 중심이었다면 2만 샷까지는 고성능 플라즈마의 장시간 운전이 주요 이슈였습니다. 3만 샷을 달성한 지금은 한 발짝 더 나아가 장시간 초고온 운전 역량을 바탕으로 핵융합에너지 실현을 위한 새로운 가능성을 열어가고 있습니다.


일례로 지난해 세운 20초 연속운전의 기록은 고성능 운전모드 뿐만 아니라 차세대 플라즈마 운전모드인 내부수송장벽(ITB)에 대한 기술적 이해와 운전 노하우가 쌓인 결실입니다. 플라즈마 형상과 밀도를 제어하며 초고온 장시간 운전 기술을 터득한 것입니다. 이는 향후 국제핵융합실험로 ITER와 한국의 핵융합실증로(DEMO) 가동의 밑거름이 됩니다.


2021년 9월 17일(금) 13시 8분. KSTAR는 3만 샷을 달성하였다.



혼자 걷는 열 걸음 보다 함께 걷는 한 걸음이 소중하다


핵융합 연구의 역사는 상호 협력의 역사입니다. 핵융합은 한두 명의 천재 과학자가 실현할 수 없습니다. 이론물리부터 플라즈마, 가열장치와 진단장치, 초전도자석, 진공, 재료 등 많은 분야의 전문가가 서로 존중하고 협력해야만 핵융합 플라즈마의 본질을 이해할 수 있습니다. KSTAR 발생 3만 샷은 우리 핵융합이 걸어온 협력의 결과입니다.


2019년 베르나 비고 ITER 사무총장은 KSTAR 실험 10주년을 기념하는 영상 메시지를 통해 “KSTAR는 ITER와 핵융합 연구개발에 매우 귀중한 기여를 할 수 있는 세계에서 몇 안 되는 시설 중 하나다”라고 KSTAR의 세계적 위상과 역할을 평가하였습니다.


해마다 KSTAR 캠페인 기간이 되면 핵융합연에서는 국내 산학연 전문가뿐만 아니라 미국, 일본, 유럽 등에서 실험을 위해 찾은 세계 각국의 연구자들을 쉽게 만날 수 있습니다. 국내외 공동연구는 KSTAR의 탄생 미션 중 하나이기도 합니다. 핵융합연은 해마다 전 세계 핵융합 연구진을 대상으로 KSTAR 실험주제를 지원받고, 더욱 선도적인 실험을 채택합니다.


또한, 캠페인 기간에는 매일 아침 브리핑 회의가 열립니다. 회의 주제는 크게 두 가지, 전날 실험 결과를 간단하게 분석하고, 당일 플라즈마 발생 실험 계획을 점검합니다. 샷마다 실험 시나리오가 다르기 때문에 새로운 이슈로 토론이 이어지기도 합니다.


KSTAR의 플라즈마 실험 기간에는 하루에 약 40샷의 플라즈마 실험이 진행됩니다. 원하는대로 잘 실험이 진행되는 경우도 있고 그렇지 않은 경우도 있습니다. 하지만 KSTAR 플라즈마 실험에서 ‘실패’란 없습니다. 원하는 대로 실험이 되지 않았다고 하더라도 그렇게 도출된 결과는 플라즈마를 이해할 수 있는 새로운 지표가 되었고, 또 다른 가능성을 열어주었기 때문입니다.


3만 번 반짝였던 플라즈마 불빛은 플라즈마에 대한 3만 개의 새로운 정보를 얻을 수 있었던 시간이며, KSTAR 장치가 잘 작동할 수 있도록 손발을 맞춘 수많은 연구진, 기술진들의 노고의 결과였습니다.


핵융합의 결정적 순간을 향한 값진 발걸음


이처럼 KSTAR가 한 해도 쉬지 않고 해마다 세계 최고의 기록을 보여준 배경에는 핵융합연의 장기플랜도 중요했습니다. 해외의 핵융합장치가 진단장치의 한계로 1차원 현상만 측정했다면, KSTAR는 이차원 전자사이클로트론 방사계(ECEI), 톰슨 산란레이저 광학계 등 다양한 첨단 진단장치를 업그레이드하여 마치 영화를 보듯 고해상도의 2차원 영상으로 플라즈마 경계면 불안정 현상이 생성되고 붕괴되는 전 과정을 측정할 수 있었습니다.


3만 샷 관문을 넘어선 KSTAR는 또 한 번의 질적 도약을 준비하고 있습니다. 세계 최고 수준 텅스텐 ‘디버터’로 KSTAR 업그레이드가 완료되면 지금보다 더 높은 운전 온도를 끌어올릴 수 있으리란 기대입니다.


핵융합 연구는 오늘의 성공에 안주하지 않고, 끊임없이 플라즈마의 본질을 찾는 과정입니다.

우리가 걸어 온, 그리고 걸어갈 발걸음은 핵융합 에너지의 미래가 될 것이라고 자신합니다.


호시우행(虎視牛行), 호랑이처럼 꿰뚫어 보고 소처럼 우직하게 힘차게 행동함을 뜻하는 사자성어입니다. 소의 해를 보내는 우리 핵융합 연구진들의 모습 그대로입니다. 이제 KSTAR는 3만 샷 달성을 뒤로하고 핵융합의 미래를 꿈꾸는 연구자들과 함께 더 뜻깊은 기록을 향해 한 걸음 한 걸음 우직하게 앞을 향해 걸어가겠습니다.


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