본문 바로가기 주메뉴 바로가기

KSTAR

  • Fusion Story
  • KSTAR
KSTAR의 다른 글

202203.14

"KSTAR와 함께 도전할 수 있어 행복" - 2021 자랑스런 KFE인 전영무 박사

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/1347

[인터뷰] 2021 자랑스런 KFE人 수상자, KSTAR 연구본부 전영무 박사의 핵융합 사랑



KSTAR는 지금까지 수많은 기적을 보여줬고, 

앞으로 더 많은 도전의 기회가 있다는 것이 연구자로서 가장 큰 행운입니다.


한국핵융합연구원 승격 후 처음 선정된 2021자랑스런KFE人 상의 주인공 KSTAR연구본부 고성능시나리오연구팀 전영무 박사의 수상소감입니다. 전영무 박사는 2008년 핵융합연에 입사해 고성능 플라즈마 운전모드와 차세대 운전 시나리오를 개발하며 KSTAR의 초고온·장시간 운전을 이끈 주역인데요. 10년 이상 핵융합 외길을 걸어온 그는 첫 H-모드 달성, 첫 3D공명자기장을 이용한 엘름(ELM, 경계면 불안정성) 억제 성공 등 유독 ‘처음’이란 단어와 인연이 많았습니다. 하지만 우리는 알고 있습니다. 최초라는 이름의 영광은 초심자의 행운이 아닌, 무에서 유를 창조하기 위해 자신을 온전히 바친 도전의 결실임을요.


고성능 핵융합 플라즈마 300초 운전을 위한 최신 운전기술 ‘I-모드’ 개발


지구상에서 핵융합발전이 성공하려면 KSTAR와 같은 최첨단 핵융합장치, 그리고 1억℃가 넘는 초고온의 플라즈마를 300초 이상 운전할 수 있는 핵융합 원천기술이 필요합니다. 한국핵융합에너지연구원은 2007년 9월 초전도핵융합연구장치 KSTAR를 완공하고, 2008년 첫 캠페인에서 플라즈마 발생에 성공하는 대기록을 세웠습니다. 그 후 매년 캠페인을 통해 좋은 연구성과를 발표하고 있으며 그중에서도 초고온 플라즈마 장시간 운전 분야는 타의 추종을 불허합니다.


그 가운데 자랑스런 KFE人 전영무 박사의 발자취도 보입니다. 바로 300초 운전에 도전하는 KSTAR의 차세대 고성능 운전 시나리오 개발입니다. KSTAR의 장치적 성능을 최대한 끌어 올려 장시간 운전을 가능하게 하는 하이베타피(high-βP) 운전모드와 초고온 플라즈마 운전을 위한 I-모드(improved mode) 개발은 KSTAR가 이온온도 1억℃ 플라즈마의 30초 연속운전 성공을 있게 한 발판입니다.


“KSTAR의 플라즈마 운전 방법은 여러 단계를 거쳐 발전했습니다. 저성능 L-모드에서 고성능 H-모드로, 그리고 L-모드와 H-모드의 중간 형태인 I-모드로 말이죠.”


그의 설명에 따르면 H-모드는 플라즈마 가장자리에 에너지 장벽(transport barrier)을 형성하여 고온의 플라즈마가 빠져나가는 것을 방지하여 고온·고밀도·고성능 플라즈마 운전이 가능합니다. 하지만 플라즈마 경계면이 불안정해지는 엘름(ELM)현상으로 인해 장시간 운전을 방해한다는 치명적인 단점이 존재합니다.


하지만 I-모드는 그 한계를 극복할 새로운 방법으로 주목받고 있는데요. 전영무 박사는 KSTAR 실험 중 플라즈마 이온온도가 1억℃를 넘었음에도 엘름(ELM) 현상 없이 L-모드와 H-모드의 중간 상태로 플라즈마가 안정적으로 유지되는 모습을 우연히 포착했습니다.


“플라즈마 에너지의 움직임은 수송장벽이 생기는 H-모드의 특성을, 플라즈마 입자의 움직임은 수송장벽이 없는 L-모드의 특성을 갖고 있어요. 따라서 H-모드 보다 적은 에너지를 투입해도 고온 달성이 가능하고, 장시간 운전에도 엘름 현상이 발생하지 않아 안정적인 장치 운영도 가능합니다.”


전영무 박사는 I-모드가 2021년 초고온 최장 운전 시나리오의 기반이 되어서 정말 보람이라고 말하는데요. 하지만 처음부터 I-모드가 주목받았던 건 아닙니다.


“20여 년 전 독일 핵융합장치 ASDEX-U에서는 I-모드가 1~2초 내외로 짧게 유지되다 H-모드로 넘어가는 현상이 발견됐었어요. 이후 미국 Alcator C-mod와 DIII-D 등의 다수의 핵융합장치에서 I-모드로 장시간 운전을 성공하기 위해 많은 도전을 했지만, 모두 실패했고, 결국 I-모드는 H-모드로 가는 중간 단계라는 본질적인 한계를 갖는 것으로 인식되어 주류 연구에서 밀려나게 되었습니다.”


그렇다면 KSTAR는 어떻게 I-모드를 차세대 운전모드로 발전시킬 수 있었을까요? 바로 DⅢ-D와 달리 초전도자석을 이용하는 KSTAR 장치의 우수성, 그리고 작은 실마리도 쉬이 넘기지 않았던 연구에 대한 집요함이 새로운 운전 모드에 대한 확신으로 이어질 수 있었습니다.


2007년 완공 당시 KSTAR 모습(왼)과 최근의 KSTAR 모습(오)



KSTAR 자동제어의 시작, 3D공명자기장 기술 개발


KSTAR의 장치적 특성을 살린 성과는 이뿐만이 아닙니다. 초전도 핵융합 장치에 특화된 실시간 플라즈마 제어기술과 세계 유일한 3열 구조의 3D 자장코일을 갖춘 KSTAR의 ‘3D공명자기장 기술(RMP: Resonant Magnetic Perturbation)’도 주목할 성과입니다.


토카막 속 플라즈마는 어디로 튈지 모르기 때문에 길들지 않고 날뛰는 야생마에 비유되곤 합니다. 핵융합 플라즈마를 장시간 운전하기 위해서는 초고온의 플라즈마가 주변 장치에 직접 닿지 않도록 특정한 자기구조를 통해 공중부양 시키게 되는데, 이는 초전도 자석을 통해 조절하게 됩니다. 이를 위해 미국 DIII-D의 제어 전문가들이 초기부터 합류하여 도움을 주었지만, KSTAR 초전도 시스템의 특성을 극복하여 해법을 찾기가 쉽지 않았다고 합니다.


이 때 전영무 박사는 본인이 개발한 플라즈마 평형해석코드(TES)를 활용한 새로운 설계기법을 적용하여 완전히 새로운 구성의 제어기를 제시하였고, 결과적으로 문제를 완벽히 해결할 수 있었습니다. 이를 통해 KSTAR는 본격적인 플라즈마 장시간 운전연구를 시작하게 되었고, 보다 정교하고 복잡한 물리실험도 가능해졌습니다. 그 결과는 세계 최초 ‘3D 공명자기장을 이용한 엘름(ELM) 억제 성공’이라는 놀라운 성과로 이어졌습니다.


전영무 박사는 KSTAR와 함께한 모든 시간이 도전의 연속이었지만, 그중에서도 가장 단단했던 벽은 3D 공명자기장 연구였다고 회고합니다. 2011년 첫 도전에 손쉽게 ‘세계최초 n=1 타입 3D 공명자기장을 이용한 엘름 억제 성공’을 이루어 냈지만, 완성된 형태의 ‘3D 공명자기장 기술’ 개발은 2016년에야 비로소 달성할 수 있었으니까요.


“계속된 수많은 실패로 2013년 KASTAR 캠페인이 끝나자 매니저 그룹에서 ‘3D공명자기장 실험을 이제 중단해야겠다’라는 이야기가 나왔어요. 야속하게도 2014년 캠페인도 큰 성과 없이 종료되고, 2016년 이번에 실패하면 정말 3D 공명자기장 끝이라는 심리적 압박 속에 캠페인에 나섰습니다.”


‘3D 공명자기장 기술’은 ITER나 DEMO에 필수적인 원천기술로 KSTAR 장치만이 보여줄 수 있는 의미 있고 중요한 연구주제입니다. 하지만 아무리 중요해도 한정된 기간과 예산으로 수많은 주제의 연구를 진행해야 하는 상황에서 수년간 성과 없는 실험에 많은 시간과 예산을 투입하기는 쉽지 않습니다. 이 상황을 누구보다 잘 알고 있기에 그의 마음은 더욱 무거웠습니다. 하지만 하늘은 스스로 돕는 자를 돕는 법이죠. 정말 마지막 도전이라고 생각했던 2016년 드디어 오랜 연구의 결실을 맺을 수 있었습니다.


이 외에도 처음으로 KSTAR에서 H-모드를 달성했던 그 순간도 전영무 박사가 절대 잊을 수 없는 기억입니다.


“KSTAR가 첫 H-모드를 달성하는 순간 주제어실 모니터를 보며 탄성을 질렀어요. 지금도 플라즈마가 공중부양하며 완벽한 D자 형태로 번쩍이기 시작했을 때 그 순간을 잊을 수 없습니다.”


너무나도 강렬한 감동이었지만, 이제 H-모드와 3D 공명자기장 기술은 KSTAR의 기본처럼 인식됩니다. 오랜 경험을 통해 그만큼 KSTAR와 KSTAR 연구진들 모두 성장했다는 뜻일텐데요. 하지만 전영무 박사는 이야기합니다. KSTAR와 플라즈마는 여전히 미지의 연구대상이라고요.


완벽한 D형을 보여주는 2010년 KSTAR 플라즈마 발생 모습. D형 플라즈마는 고성능 플라즈마를 발생하고 유지시킬 수 있는 조건으로 H-모드 운전을 위해 필요한 플라즈마 형태이다. 


완벽한 D형을 보여주는 2010년 KSTAR 플라즈마 발생 모습. D형 플라즈마는 고성능 플라즈마를 발생하고 유지시킬 수 있는 조건으로 H-모드 운전을 위해 필요한 플라즈마 형태이다. 




1년의 연구연가, 새롭게 출발하는 마라톤을 위한 새로운 도약대


“거창한 비전과 사명을 갖고 시작하진 않았어요. 2007년 DIII-D 장치가 있는 미국 샌디에이고로 박수후연수를 떠났다가 1년 반 만에 다시 KSTAR로 돌아왔어요. 왜냐하면 밑바닥부터의 새로운 도전이 가능한 KSTAR가 좋았으니까요.”


그 당시 KSTAR에 대한 확신이 있었냐고 물었습니다. 답은 의외였습니다. DIII-D의 연구 시스템은 안정적이고 배울 것도 많았지만 흥미롭지 않았다고 합니다. 대신 모든 것이 새로운 시작이고 도전이었던 KSTAR에 연구자의 비전이 있다고 생각했다고 합니다. 사실 대학원에서 핵융합을 전공한 이유도 아직 완성되지 않은 연구 분야이기 때문에 체계적이지 않고 접근성은 낮지만 새롭게 이슈를 발굴하고 해결하고 자신만의 방식으로 만들어 나갈 수 있을거라고 생각했기 때문이라고 하니, 불모지를 개척하는 도전 정신이야말로 오늘의 전영무 박사를 있게 한 원동력임이 틀림없습니다.


이처럼 앞만 보고 달려왔던 전영무 박사는 KSTAR가 고성능 장시간 운전으로 세계적 주목을 받던 2019년 1월, 돌연 미국 프린스턴플라즈마물리연구소(PPPL)로 1년의 연구연가를 떠났습니다.


“지금도 마찬가지이지만 연구원 설립 초기에는 인원이 많지 않았어요. 저뿐 아니라 모두가 일당백이 되어, KSTAR의 중요한 실험을 직접 진행하거나 여러 과제에 참여했습니다. 하지만 KSTAR가 좋은 성과를 낼수록 도전의 벽은 더욱 높아졌습니다. 미션도 더욱 고도화됐습니다.”


어느 것 하나 중요하지 않은 것이 없기에 그 어떤 것도 놓을 수 없었던 상황에서 그는 결단을 내렸습니다. 그리고 그가 주도한 많은 미션을 후배 연구진과 나누었습니다. 2018년 말이었습니다.


“장시간, 고성능, 제어알고리즘 연구를 분장하고 차세대 시나리오 연구만 제가 맡았어요. 하나에 집중하는 만큼 제대로 해야겠다는 생각에 더 제대로 배우고자 연구연가를 신청했습니다.”


길다면 길고 짧다면 짧은 시간이지만, 핵융합연에서의 10년을 돌아보고, 핵융합 실증로를 내다보며 길게 호흡할 수 있는 발판을 다진 것만은 확실합니다. 그리고 또 하나의 수확은 강화된 한국의 핵융합 위상을 다시 한 번 실감할 수 있었던 점이라고 합니다.


“핵융합연에 입사했을 때만 해도 한국은 후발주자였어요. 외국은 ‘어나더 레벨(Another Level)’, 그들이 무조건 맞고 우리는 따라가야 하는 줄 알았어요. 하지만 이제 KSTAR는 독보적입니다. 우리 장치도 있고 우리 데이터도 있죠. 밖에서 보면 우리가 생각하는 것 이상으로 우리는 대단합니다. 하지만 도전정신과 자신감은 오히려 줄어든 것 같아 안타깝습니다.”


우리나라 핵융합 발전을 위한 생각을 묻자 “연구자들이 스스로와 KSTAR를 더 신뢰하고 자긍심을 가져야 한다”고 강조합니다. 자신을 비롯한 KSTAR 1세대는 장치도, 경험도 없던 무에서 출발했기에 잡초처럼 연구할 수밖에 없었지만, 후배들은 연구 환경과 여건이 좋아진 반면 역량을 발휘할 기회가 부족했을 수도 있다는 부연입니다. 더불어 핵융합연의 역사와 경험이 쌓인 만큼 이를 시스템으로 구축하여 모든 연구 분야가 순환적으로 돌아가는 기반이 마련되어야 한다는 생각합니다.


“미국은 도전의 기회는 적지만, 조직에 소속돼 있는 것만으로도 체계적으로 보고 배우며 체득할 수 있는 시스템이 있다는 장점이 있어요. 핵융합연과 KSTAR도 지금까지 쌓아온 경험과 결실을 시스템화하고 후진을 양성할 때입니다. 성공적인 세대교체는 조직의 건강한 미래를 준비하는 관문입니다. 신진 연구자들이 주도권을 가질 때 실수를 하더라도 더 새로운 방법, 더 도전적인 방법을 찾고 더 크게 도약할 수 있다고 생각합니다.”


핵융합연의 일원으로 KSTAR와 함께 핵융합 상용화라는 미지의 세계를 걸어온 14년. 핵융합을 사랑하는 그의 진심이 느껴집니다. 전영무 박사는 앞으로 어떤 도전을 지속하게 될까요?


“핵융합을 실현하려면 ITB나 I-모드 등 기존의 운전모드는 진정한 차세대 운전모드라고 말하기엔 부족합니다. 지금까지 고온·고밀도·장시간이라는 세 개의 목표 중 하나만을 독립적으로 도전하고 개발했다면, 진정한 차세대 모드는 이를 종합적으로 통합하고 실제 실현이 가능해야 합니다. 정말 필요한 것은 핵융합 실증로와 상용핵융합로에 필요한 운전방식이에요.”


전영무 박사는 H-모드와 3D공명자기장 기술을 개발했을 때처럼 차세대 운전시나리오 개발에 집중하고자 합니다. 꿈이 있기에 두렵지 않았습니다. 도전을 두려워하지 않았기에 더 큰 꿈을 꿀 수 있었습니다. 할 수 있다는 믿음으로 오늘도 자신의 자리에서 최선을 다하는 전영무 박사와 함께 다시 한 번 도약할 KSTAR의 내일을 기대합니다.


KSTAR 연구본부 전영무 박사


  •  좋아요 bg
    1
    좋아요 bg
  •  카카오스토리 공유 bg
    0
    카카오스토리 공유 bg
  •  카카오톡 공유 bg
    0
    카카오톡 공유 bg

댓글 0

정보에 대해 만족하십니까?

TOP