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201404.15

KSTAR가 초고온의 플라즈마를 가두는 비밀은?

시스템 관리자   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/472

인류가 바퀴를 발명하기 전 운송도구로 활용한 것은 나무썰매일 것으로 학자들은 추정합니다. 가축들이 나무썰매를 끄는 흔적은 여기저기서 발견되기도 하죠. 하지만 나무썰매가 진흙길이나 비탈길에서 제대로 움직이지 않자 사람들은 썰매 끝에 나무 굴림대를 받쳐 활용합니다. 피라미드에 쓰인 거대한 대리석도 굴림대를 이용해 운반됐다고 하지요. 이처럼 기원전 5000년쯤 발명된 원판 형태의 바퀴는 굴림대의 연장으로 불, 종이 등과 함께 인류 역사를 바꾼 발명품으로 꼽히고 있는데요.

 

바퀴 다음으로 인류가 생각해낸 것은 지표면에 닿지 않고 공중에 달리는 것이었습니다. 비행기도 그런 생각의 결과이며 최근에는 자석처럼 밀쳐내는 힘과 초전도체의 특성 등이 연구되면서 그 동력으로 달릴 수 있는 생각이 현실화되기 시작했습니다. 이런 아이디어에 의해 개발된 것이 바로 자기부상열차입니다.

 

바퀴가 없는 철도신기술 자기부상열차

 

올 6월이면 인천공항과 용유역을 잇는 인천공항 자기부상열차 시범노선이 개통된다고 하죠. 인천공항 자기부상열차 개통으로 인해 우리나라는 일본에 이어 세계에서 두 번째로 도시형 자기부상열차 상용화 보유국이 되는 것인데요.

 

기존의 열차가 바퀴와 레일 간 마찰력으로 구동하는 방식이라면 자기부상열차는 바퀴가 없는 즉, 전기자석의 N극과 S극의 흡입력 또는 반발력을 응용하여 차량과 레일간이 떨어져 공간이 유지된 상태로 달리는 방식으로 땅과 열차가 닿지 않는 방식입니다. 그래서 레일과 접촉이 없어 소음과 진동은 물론 마찰로 손실되는 에너지도 적습니다. 실제로 일반 열차보다 자기부상열차의 에너지 효율이 높다는 발표도 있습니다. 미국자기부상열차연합에 따르면 시속 200㎞에서 일반 열차는 전력 29Wh를 소비했지만, 자기부상열차는 22Wh를 소비했으며, 시속 300㎞에서 일반 열차는 전력 51Wh를, 자기부상열차는 35Wh를 소비했습니다. 따라서 자기부상열차는 미래의 교통으로도 유망한데요.

 

자기부상열차의 부상 방법은 같은 극의 자석 간에 작용하는 반발력을 이용한 반발식과 자석간의 인력을 이용, 지지레일과 자석간의 인력으로 부상시키는 흡인식으로 나눌 수 있습니다. 또한 전자석의 원리에 따라 초전도 방식과 상전도 방식으로 나눌 수 있는데, 상전도 방식은 중속도의 통근용 중단거리용 열차에, 초전도 방식은 초고속 열차에 적용하고 있으며 자기부상열차도 초전도 방식을 응용한 분야라고 할 수 있습니다.

 

자기부상열차의 핵심 원리, 초전도체

그럼, 자기부상열차가 무엇인지 알았으니 자기부상열차의 핵심 원리인 초전도체에 대해 알아볼까요?!

 

자기부상열차는 초전도체와 전자석을 이용하여 열차를 지면위로 부양하여 열차를 움직임으로써 지면으로의 마찰 없이 효율적으로 열차를 운행할 수 있는데요. 전자석에 자기력을 발생하여 부상하는 자기부상은 전자석의 세기에 따라 전자석에 흐르는 전력의 양에 비례하기때문에 전자석에 아주 많은 전력을 흘려주면 열차를 띄울 만큼 강한 자력을 얻을 수 있습니다. 이때, 전자석에 저항이 있는 전선을 사용하면 저항 때문에 충분한 강한 전류를 흘릴 수도 없고 열에너지로 바뀌는 전기에너지를 계속 보충해야 하는 불편함이 생깁니다. 이를 해결하기 위해서는 전자석의 전선(코일)을 초전도체로 만들어 주어야 합니다. 초전도체의 저항이 없는 성질 때문에 한번 전력을 공급해주면 전력이 계속 흐르게 되고 강한 전력을 쉽게 보낼 수 있기 때문인데요. 이러한 초전도체 전자석을 이용하여 마찰력을 사용하지 않고 열차를 달리게 할 수 있습니다.

 

초전도 현상은 온도가 영하 273.15도인 '절대 0도' 부근에서 도체의 저항이 '0'이 되는 현상을 말하는데, 1911년 물리학자 카멜링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes, 네덜란드, 1853~1926)가 극저온 실험 장치를 이용, 온도에 따른 수은의 전기저항변화를 관찰하던 중 절대온도 4.2K(섭씨 영하 269도)에서 전기저항이 완전히 없어지는 것을 발견하면서 처음 등장했습니다. 이 현상은 이름에서 보듯이 절대 0도에 있는 도체에 전류를 흘리면 초전도 자석을 만들 수 있는데 전류를 많이 흘려줄수록 최대 20테슬라(T, 자기장의 세기를 나타내는 단위)의 강한 자석이 되고, 초전도자석을 이용하면 자기부상열차가 더 강력한 자기장을 기반으로 초고속으로 달릴 수 있게 합니다.

 

다시 말하면, 초전도 상태에서는 전기저항이 0이기 때문에 코일에 많은 전력을 손실 없이 흘릴 수 있습니다. 또한 흘린 전력은 전원을 제거해도 감소하지 않고 영구적으로 계속 흐르게 되어 강력한 자석이 됩니다. 이러한 원리를 이용한 초전도 *리니어모터(Linear Moter)는 차량에 탑재한 초전도 자석과 지상의 코일 사이 전력에 의해 차량을 10㎝정도 부상시켜 초고속으로 주행 할 수 있게 하는 것이죠.

 

* 리니어모터(Linera Moter) : 직선 운동을 하는 모터를 말하며, '선형(線形)전동기'라고도 한다. 극이 번갈아 바뀌는 모터의 원리가 자기부상열차와 흡사하여 자기부상열차의 다른 이름에도 'Linera Moter Car'라고 사용된다.

 

자기부상열차에는 마이너스너 효과가 있다

그리고 여기서 우리는 물질이 초전도 상태로 전이되면 물질의 내부에 있던 자기장이 외부로 밀려나는 마이스너 효과를 확인할 수 있습니다. 금속 접시 위에 막대자석을 놓고 전체를 금속 접시의 임계온도 이하로 낮추면 막대자석이 만드는 자력선이 초전도 상태가 된 접시사이에 끼기 때문에 막대자석이 공중에 뜨는 현상을 실험을 통해 확인해볼 수 있는데요. 무거운 자성체를 공중에 뜨게 하는 이 마이스너 효과처럼 자기부상열차도 초전도 자석의 경량, 강자계의 특성을 살려 중량이 있는 열차를 지면에 부상시켜 마찰 없이 달릴 수 있게 하는데 응용하는 것이죠.

 

이처럼 초전도체는 매력적일 뿐만 아니라, 점점 유용해지고 있습니다. 대표적으로 초전도 현상을 이용한 것이 MRI(자기공명영상 장치)입니다. MRI는 우리 몸의 대부분이 물이라는 사실에 착안, 자기장의 변화를 이용하여 방사선 노출이나 절개 없이도 몸의 내부 상태를 파악할 수 있게 해주는 장치인데요. MRI에는 매우 강력한 자기장이 핅요한데 이러한 자기장을 가능하게 하는 것은 초전도체 전자석 외에는 없습니다. 초전도체는 저항이 없으므로 전자석의 자력을 높이는 데 필요한 전류를 원하는 만큼 마음껏 높일 수 있기 때문입니다.

 

최근에는 국가 단위 프로젝트에서도 초전도 자석이 중요한 역할을 합니다. 바로 중이온가속기 등 입자가속기나 '궁극의 에너지원'으로 각광받는 핵융합인데요. 현재 연구 중인 여러가지 핵융합 발전 방법 중 자기장을 이용해 플라즈마를 제어하는 자기장 가둠 방식의 핵융합 연구에서도 나이오븀틴(Nb3Sn)이라는 신소재 초전도체를 사용합니다. 핵융합에너지를 발생시키기 위해서는 초고온 상태에서 전자와 원자핵이 분리된 플라즈마 상태의 물진이 필요한데 이 때 플라즈마 온도가 1억 도에 달하기 때문에 이를 담을 용기를 만드는 것이 가장 중요한 과제 중 하나였습니다. 핵융합 연구자들은 초전도체를 이용해 강력한 자기장을 발생시켜 전기적 성질을 띤 플라즈마를 공중에 '띄워서' 가두어 두는데 성공하고 장시간 안정적으로 운영해 핵융합에너지를 상용화하는데 애쓰고 있습니다. 한편, 우리나라의 뛰어난 초전도 기술은 한국의 태양이라 불리는 초전도 핵융합연구장치 KSTAR 개발에도 중요한 역할을 했으며, KSTAR에 사용된 초전도 선재를 개발한 국내 중소기업이 세계가 공등으로 추진하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에 참여하고 있을 정도로 세계적이 수준에 올라 있습니다.

 

오늘은 초전도 자석의 특징과 사용분야에 대해 알아보았는데요. 이처럼 핵융합에너지 연구에도 초전도 자석이 중요한 재료로 사용되고 있다는 사실 여러분도 알고 계셨나요? 사실 핵융합 연구에는 다양한 과학 분야의 지식과 연구가 필요한 그야말로 과학의 오케스트라라고 할 수 있는데요. 앞으로 핵융합 분야에서 활용되는 과학 분야 및 극한 기술 등에 대한 이야기를 들려 드릴 예정이니, 많은 기대 부탁드립니다. 

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