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201405.07

KSTAR가 다른 핵융합 장치보다 특별한 이유는?

시스템 관리자   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/94

세계 최초로 '나이오븀-주석 합급' 초전도체 제작

미래 에너지원으로 주목받고 있는 핵융합에너지를 만들기 위한 노력이 전 세계 각국에서 진행되고 있으며, 이제 핵융합에너지 상용화 목표시기를 구체적으로 언급할 만큼 핵융합 기술력도 높은 수준으로 발전했습니다. 우리나라는 뒤늦게 본격적인 핵융합 연구를 시작했지만, 초전도 핵융합장치인 KSTAR의 성공적인 건설로 전 세계를 놀라게 하며 그 기술력을 높이 평가 받고 있습니다. 기존의 핵융합장치와 달리 신소재 초전도 자석을 활용한 KSTAR가 특별한 이유와 우리나라의 초전도 기술력에 대해 알아보겠습니다.  

 

세계 최초 초전도 핵융합 연구 장치 건설



핵융합 반응은 초고온, 고압 상태에서 일어나기 때문에 지구에서 태양과 같은 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 1억℃ 이상의 초고온의 플라즈마를 만들고 가두는 그릇 역할을 하는 인공적인 핵융합 장치가 필요합니다. 우리나라에서도 1990년대 중반 핵융합연구 장치를 건설하기로 결정하고, 1995년 세계 최초로 신소재 초전도 자석을 활용한 핵융합 장치를 건설하는 엄청난 도전을 시작했습니다. 드디어 2007년 국가핵융합연구소는 세계 최초로 초전도 자석 핵융합 장치 KSTAR 건설을 완료하고, 2008년 플라즈마 발생에 성공하면서 세계 핵융합 계에 엄청난 충격을 주었습니다. 당시 선진국의 핵융합 전문가들이 보기에도 어려워 보였던 초전도 토카막을 단 번에 성공시켰기 때문입니다.

 

자기장을 이용해 플라즈마를 가두는 방식의 토카막 장치인 KSTAR 장치에는 플라즈마를 구속하기 위한 TF(Toroidal Field)자석과 플라즈마를 발생시키고 유지하기 위한 CS(Central Solenoid)자석, 그리고 플라즈마의 위치 및 형상을 제어하기 위한 PF(Poloidal Field)자석 등 세 가지로 구성되어 핵융합이 발생할 수 있는 환경을 만들게 됩니다. KSTAR 장치에는 총 30개의 초전도 자석이 사용되는데, 저항이 없고, 구리선에 비해 백배 정도의 전류를 흘릴 수 있는 초전도 선으로 감은 코일을 사용하여 만들어진 전자석을 이용합니다.




기네스에 도전하는 KSTAR 초전도 자석

사실 핵융합 연구 선진국에서는 초전도체가 아닌 구리를 이용한 토카막 장치로 연구를 진행해 왔습니다. 하지만 구리 저항에 의해 발생하는 막대한 열은 구리의 저항을 크게 할 뿐만 아니라 과열에 의한 손상을 초래할 수 있기 때문에 냉각이 필요하며, 이에 따른 전력 손실이 추가로 발생합니다. 이러한 점이 구리로 된 토카막 장치의 한계로 지적되기도 했습니다. KSTAR 장치에 사용된 초전도 자석은 낮은 온도에서 저항이 사라지기 때문에 장시간 운전이 가능하며, 열 손실로 인한 전력 낭비를 줄일 수 있습니다.  

 

또한 KSTAR 장치는 기네스에 오를 만큼 대단한 기록을 가지고 있습니다. KSTAR 장치의 16개 TF코일에 걸리는 최대 자기장의 세기는 지구자기장의 약 14만 배에 해당하는 7.2T입니다. 또 전자석을 제작하기 위해 소모된 초전도 선재의 총 길이는 12,022km로 지구 지름(12,756km)과 거의 비슷합니다. KSTAR의 초전도 전자석 총 30개 중 열처리가 필요한 것은 26개인데, 초전도 전자석 한 개당 열처리 시간은 30일 즉 한 달이 걸리기 때문에 열처리기를 쉬지 않고 가동한다 하더라도, 26개의 전자석을 만들기 위해서는 무려 2년 2개월이 필요한 것입니다. 정말 엄청나죠?





초전도 자석을 구성하는 나이오븀(Nb3Sn)



KSTAR 장치를 구성하는 초전도 자석의 재료를 좀 더 자세하게 살펴볼까요? 초전도 자석의 주재료로 나이오븀-주석(Nb3Sn)이 사용되었습니다. 나이오븀은 원자번호 41번의 원소로, 미국에서 채취해서 영국으로 보냈던 광석에서 1801년 처음 발견 되었습니다. 나이오븀은 바나듐, 탄탈럼과 함께 주기율표에 5족에 속하는 전이금속으로, 순수한 금속은 무르고 연성(잡아 늘이기 쉬운 성질)이 있으나 불순물이 들어가면 단단해집니다. 또한 원소 상태에서 전기저항이 ‘0’이 되는 초전도체 현상을 보이는 것 중에서는 임계온도가 9.2K로 가장 높으며, 자기장이 투과하는 깊이가 가장 깁니다. 따라서 고합금강, 스테인리스강 등 고급 철강재 등을 만드는 데 주로 사용되어지며, 초경량 신소재, 고급철강재와 정보기술 융합제품을 생산하는 데 필수적인 희유 금속 광물로 이를 대체할 수 있는 대체제도 없습니다.

 

KSTAR 장치에 사용된 나이오븀-주석(Nb3Sn)은 1954년 초전도체로서 발견된 금속성의 화합물로서 나이오븀과 주석의 합금으로 나이오븀-타이타늄(NbTi)합금보다 비싸고, 매우 부스러지기 쉽기 때문에 초전도 자석을 만드는 도선으로 제작하기가 어렵습니다. 이를 극복하기 위해 국가핵융합연구소는 나이오븀이 들어있는 합금과 주석이 들어있는 합금을 이용해 미리 모양을 만들고 열을 가해 반응시켜 초전도 전자석을 만들어 낸 것인데요. 이 자석은 고밀도 전류와 자기장을 견뎌 플라즈마를 오래 가둘 수 있어, 핵융합 초전도 기술력이 한 발 더 앞서나갈 수 있게 되었습니다.

 

세계 최고 기술력으로 늦은 출발에도 핵심국가로 우뚝

무엇보다 자랑스러운 것은 세계 최초로 개발한 초전도체 Nb3Sn은 같은 재료와 공정으로 국제핵융합실험로 ITER에 그대로 적용될 예정이라는 것입니다. 이는 선진국들이 이론으로만 점치던 것을 우리가 실증해 보임으로써 세계 최고의 초전도 기술력을 인정받은 것이라고 할 수 있습니다. 우리나라는 2003년 ITER 참여를  결정했지만 40~50년의 역사를 자랑하는 선진국들에 비해 소규모로 연구가 진행되고 있었기에, 사실상 우리나라에게 ITER 큰 역할을 기대하기는 어려웠는데요, 차세대 초전도 핵융합 연구장치 KSTAR가 ITER의 ‘시제품’ 역할을 할 것이라는 점이 부각되면서 부터 우리나라는 ITER 참여의 핵심 국가로 자리잡게 되었습니다. 

비록 우리나라가 선진국에 비해 핵융합 연구의 출발은 늦었지만, 지금은 앞서 설명드린 것처럼 초전도 기술력과 이에 대한 연구 기반이 세계 최고 수준에 도달해 있습니다. 인류 문명을 위한 미래에너지, 환경 문제를 해결할 수 있는 핵융합에너지 상용화에 우리나라의 초전도 기술을 적용한 ITER의 건설이 완료되는 그 날이 벌써부터 기다려집니다.



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