본문 바로가기 주메뉴 바로가기

KSTAR

  • Fusion Story
  • KSTAR
KSTAR의 다른 글

201308.29

단언컨대 KSTAR는 가장 완벽한 초전도 토카막입니다.

시스템 관리자   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/42

지구에서 가장 차가운 초전도 자석이 되기 위해 추위를 견디는 강인함과
지구에서 가장 뜨거운 온도를 품을 수 있는 용기
제멋대로의 플라즈마를 가둘 수 있는 포옹력을 가진
단언컨대 KSTAR는 가장 완벽한 초전도 토카막입니다.

 
우리나라에서 개발한 초전도핵융합장치 KSTAR를 최근 유행하고 있는 유행어인 ‘단언컨대’로 표현한 글입니다. 재미있으셨나요? 위의 글에도 나타나 있는 것과 같이 KSTAR는 지구에서 가장 차가운 온도를 유지해야하는 초전도 자석으로 만들어져 있지만, 태양보다 더 뜨거운 고온의 플라즈마를 가두어 핵융합을 만들어야 하는 운명을 지닌 초전도 토카막입니다.  토카막은 KSTAR와 같이 핵융합을 일으킬 수 있는 방법 중 하나로, KSTAR와 같은 초전도 토카막도 있지만 구리와 같이 다른 재료를 이용한 토카막도 있습니다. 이번에는 토카막에 대해 자세히 알아보고, 초전도 토카막 KSTAR의 특징이 무엇인지 살펴보아요.

 

 

지구에 있는 작은 태양 토카막! 



지구상에서 태양과 같은 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 초고온의 플라즈마가 필요하답니다. 플라즈마는 물질의 네 번째 상태로, 기체가 이온화되어 전자와 원자핵으로 분리되어서 나타나는 상태에요. 이런 플라즈마 상태를 고온에서 안정적으로 가두어 놓을 수 있어야 핵융합 반응이 가능하게 되는데요. 강한 중력을 이용해 태양 내부의 높은 밀도와 압력을 통하여 제멋대로인 플라즈마를 가두어 놓을 수 있지만 지구에서는 태양과 조건이 다르기 때문에 동일하게 초고온의 플라즈마를 가두어 놓는 것은 쉽지 않았답니다. 그래서 연구자들은 핵융합 반응을 일으키기 위해 플라즈마를 가두는 방법에 대해 큰 고민을 하기 시작했어요.


그러던 중에 1968년 옛 소련의 쿠르차토프연구소에서 아씨모비치 교수팀이 자기장 가둠 방식을 이용한 토카막을 처음 개발했어요. 토카막은 러시아어로 Toroiid Kamera(chamber), Magnit(magnet), Katushka(coil)을 따서 만든 합성어로 현재까지도 핵융합 실험장치 중 가장 우수한 것으로 세계적인 인정을 받고 있는 장치랍니다. 이후 연구자들의 노력으로 토카막은 기본 틀을 유지한 채 변화에 변화를 거듭해 지금의 모습이 되었고 현재 진행되는 핵융합 연구에서도 이 장치를 이용하고 있어요. 과연 토카막이 어떤 장치인지 살펴보도록 할까요?
 

 

 

제멋대로인 플라즈마를 가두어라! – 자기장 가둠 방식 토카막- 

토카막은 자기장을 발생시켜 플라즈마를 가두는 원리를 가지고 개발된 장치입니다. 태양의 경우에는 앞에서도 말했듯이 강한 중력을 이용해 높은 밀도와 압력이 있기 때문에 제멋대로인 플라즈마를 가두어 핵융합 반응을 유도할 수 있지만 지구에서 일어나는 핵융합은 다른 방식을 이용해야만 했어요. 연구자들은 지구에서 플라즈마를 가둘 수 있는 방식을 고심했답니다. 그러다 플라즈마에 전하가 있다는 사실을 이용하기로 합니다! 그리고 플라즈마의 전하를 이용해 자기장 가둠방식을 개발하게 된 것이죠.
 

자기장 가둠방식을 이용한 토카막이 작동하는 원리는 어려워 보이지만 아주 단순해요. 플라즈마는 전하를 띄고 있기 때문에 자기력선이 생기면 자기력선과 반대로 전자와 이온이 나선형의 모습을 띄며 반대로 움직이게 됩니다. 그렇기 때문에 도넛형식의 장치를 만들어 전류를 흘려 자기력선을 장치 내부에 만들어 주면 전자와 이온은 그 장치 안을 계속 돌게 되죠. 이 때 전자와 이온들의 거리가 일정하지 않으면 서로 멀어져 밖으로 나가는 상황들이 생길 수 있기 때문에 내부에는 TF(Toroidal Field) 코일을 설치해 전류를 흘려 멀어지는 걸 막습니다. 외부에는 PF(Poloidal Field) 코일을 설치해 자기력선의 모양을 만들고 위치를 고정해 플라즈마를 연구자의 임의대로 조정할 수 있도록 해서 플라즈마의 안정성을 확보하게 됩니다. 자기장 가둠방식 토카막을 통해 제멋대로인 플라즈마를 안정화시킬 수 있는 방법이 생기게 된 것이에요.

 

 

한국 토카막 개발 역사



우리나라에서는 1980년대 서울대 원자핵 공학과에서 SNUT-79라는 토카막 장치를 처음으로 만들어 연구하기 연구하기 시작했답니다. 한국에서 처음으로 만들어진 SNUT-79는 지금에 토카막 보다는 훨씬 작지만 한국 핵융합 연구에 초석이 되었다는 점에서 매우 값진 토카막이에요. SNUT-79 개발 이후에도 다양한 토카막들이 만들어지면서 플라즈마를 안정성을 극복할 수 있었어요. 오른쪽에 보이는 KAIST 토카막은 카이스트에서 기증한 소중한 자료입니다. 


 
 

초전도 토카막 

토카막의 원리를 함께 살펴보았는데요. 토카막의 과학적 원리는 간단한 편이지만 여전히 제멋대로인 플라즈마를 핵융합 발전을 할 수 있도록 안정화 시키는 것은 어렵답니다. 그런데 초전도 토카막이 만들어지면서 플라즈마를 안정성을 극복할 수 있다는 희망이 생기게 되었습니다.
 
토카막이 처음 만들어질 때에는 구리를 이용한 상전도 토카막을 이용해 실험을 해왔어요. 그런데 저항이 많은 구리의 특성 상 열이 발생하여 핵융합반응이 오랫동안 장치를 가동하기가 힘들었습니다. 그래서 연구자들은 구리를 이용해 토카막을 만들 경우 핵융합을 통한 발전은 어려울 수도 있겠다는 결론을 내렸고, 그러던 중 특정 조건에서 저항이 없는 초전도자석을 활용한 토카막이 그 대안으로 제시되었답니다. 이후 한국에서는 세계 최초로 신소재(Nb3Sn) 초전도체를 이용한 초전도 토카막 KSTAR를 개발해냈답니다. 당시 핵융합 연구의 후발주자였던 우리나라가 초전도 토카막인 KSTAR 개발에 성공하면서 세계 핵융합 계에 엄청난 충격을 주었어요. 지금부터 초전도 토카막이 기존 토카막과 어떻게 다른지 자세히 살펴보도록 할까요? 
 
초전도전자석은 초전도체를 이용한 전자석으로 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대온도(영하 273도) 가까이 냉각하면 저항이 0이 되는 현상을 이용해 만든 자석을 말합니다. 세상에서 제일 차가운 초전도체가 제일 뜨거운 플라즈마를 가두게 되는 것이죠. 초전도 자석을 이용한 토카막은 전기 저항이 0이기 때문에 구리를 이용한 상전도 토카막보다 훨씬 양질의 플라즈마를 만들 수 있답니다. 또한 전기 저항이 없기 때문에 많은 양의 전력이 필요하지 않아 훨씬 효율적으로 실험할 수 있게 되었죠. 덕분에 초전도 자석을 적용한 KSTAR는 다른 토카막들보다 핵융합에너지 상용화를 위해 꼭 필요한 실험들을 더욱 많이 수행하고, 더욱 뛰어난 연구 성과들을 얻을 수 있게 되었습니다.  
 
오늘은 핵융합에너지 상용화를 위해 반드시 필요한 핵융합장치! 토카막에 대해서 알아보았습니다. 토카막에 대해서 공부하고 나니 초전도 토카막 KSTAR에 대해서도 더 잘 아는 시간이 되었을 같은데요. KSTAR가 하늘에 떠있는 태양과 같이 가장 완벽한 초전도 토카막이 될 수 있도록 많이 응원해주세요!



  •  좋아요 bg
    10
    좋아요 bg
  •  카카오스토리 공유 bg
    22
    카카오스토리 공유 bg
  •  카카오톡 공유 bg
    23
    카카오톡 공유 bg

댓글 0

정보에 대해 만족하십니까?

TOP