본문 바로가기 주메뉴 바로가기

핵융합

  • Fusion Story
  • 핵융합
핵융합의 다른 글

202208.26

핵융합 실현을 위한 플라즈마 운전 기술을 확보하라

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1398

초고온·장시간·고밀도 노심 플라즈마 운전시나리오

한국형 실증로 시대 준비하는 ‘핵심기술’ 도장깨기 4편



‘초고온의 플라즈마를 효과적으로 가두는 방법’은 과거에 핵융합 연구를 오랜 시간 난관에 빠트렸던 최대 난제 중 하나였습니다. 1960년대 후반 자기장을 이용하여 도넛 모양 안에 플라즈마를 가두는 ‘토카막’ 장치가 개발된 이후 초고온 플라즈마 가둠 성능은 놀라운 진전을 거듭해 왔지만, 실증로 운영을 위해 필수적으로 확보해야 할 장시간 고성능 플라즈마 운전 기술은 여전히 쉽지 않은 과제입니다. 


하지만 우리나라를 비롯한 핵융합 개발국의 시선은 이제 ‘실험’에서 ‘실증’을 향하고 있습니다. 심각해지는 기후변화 문제 등 새로운 에너지의 확보가 시급한 지금, 핵융합에너지는 더 이상 선택이 아닌 필수인데요. 고성능 플라즈마 운전 기술을 확보하는 것 역시 이제는 물러설 곳 없는 최우선 과제입니다. 


한국형 핵융합 실증로 개발 로드맵의 궁극적인 목표도 전력 생산이 가능한 수준의 연소 플라즈마 발생, 유지, 소멸 과정을 통제할 수 있는 기술을 완성하는 것이라고 할 수 있습니다. 빠져나가려고 하는 플라즈마와 어떻게서든 가두려는 연구자 간의 치열한 대결의 향방은 어떻게 흘러갈까요? 한국형 실증로 시대를 준비하는 핵심기술 도장깨기 4번째 주인공 ‘노심 플라즈마 기술’에 대해 소개합니다. 


KSTAR 장치에서 발생하는 플라즈마 모습



현존하는 물리학적 난제 극복·검증 도전적 과제


핵융합 불모지였던 우리나라는 성공적인 KSTAR 건설과 운영을 통해 핵융합에너지 실현으로 나아가기 위해 필요한 수많은 기술적 난제를 극복하는 세계적인 성과를 거둬왔습니다. 지난 2017년 세계 최초로 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)의 장시간 제어(34초)에 성공했으며, 2018년에는 세계 최장 시간 H-모드 운전(90초)을 기록했습니다. 이어 2018년 세계 최초로 핵융합 플라즈마 이온 온도 1억℃에 도달한 뒤 2021년 30초 연속 운전으로 세계 최장 기록을 경신한 바 있습니다. 


이처럼 우리나라는 KSTAR의 성공적인 운영을 통해 플라즈마 운전을 위한 다양한 노하우와 기술을 확보하며 세계적 수준의 연구를 주도해가고 있는데요. 하지만 KSTAR만으로 모든 것이 해결되는 것은 아닙니다. KSTAR와 실증로의 역할이 다르기 때문입니다.


실증로는 실제로 핵융합 반응을 통해 전기를 생산하는 것을 목표로 하는 것과 달리 KSTAR는 전기를 생산하는 발전 장치가 아닙니다. 핵융합 반응이 일어나는 플라즈마를 장시간 유지하기 위한 다양한 실험을 수행하는 연구장치인데요. KSTAR 장치 운영을 통해 핵융합에너지 발전을 위해 필요한 물리적 과제들을 검증하고 미리 시험해보는 것이지요. 


따라서 실증로를 운영하기 위해서는 KSTAR, ITER, 그리고 슈퍼컴퓨팅 시뮬레이션 등 가용할 수 있는 모든 기술을 동원해 현존하는 물리학적 난제들을 극복하고 검증해 나가는 과정이 필요합니다. 


중수소와 삼중수소가 핵융합하여 헬륨과 중성자로 변환하는 과정에서 발생하는 질량결손이 곧 에너지이다.


 

2040년까지 실증로 운전 위한 시나리오 확보 


플라즈마 운전의 최종 목표는 실증로 운전에 적합한 높은 온도와 밀도를 갖는 노심 연소 플라즈마를 만들고 이를 안정적으로 제어하는 운전 시나리오를 개발하는 것입니다. 


연소 플라즈마는 핵융합 발전의 경제성 확보를 위해 반드시 필요한 조건입니다. 지구에서 핵융합 반응이 가장 잘 일어나는 방식은 중수소와 삼중수소의 반응입니다. 중수소와 삼중수소가 핵융합 반응을 일으키면 헬륨과 중성자가 발생하게 되는데요. 이때 헬륨은 매우 큰 에너지를 가진 상태로 헬륨의 에너지는 다시 플라즈마를 가열하는 데 활용됩니다. 이것을 자체 가열이라고 하는데요. 이렇게 핵융합 과정에서 스스로 가열이 일어나는 플라즈마의 상태를 연소 플라즈마라고 합니다. 


만약 헬륨의 에너지를 사용하지 않을지라도 핵융합 반응이 일어나고 에너지를 생산할 수는 있지만 연소상태가 되지 않으면 더 많은 가열 에너지를 투입해야 하므로 경제성이 낮아질 수 밖에 없습니다.


여기에서 끝이 아닙니다. 이와 같은 연소 플라즈마를 24시간 유지하기 위해서는 플라즈마를 안정적으로 제어하는 운전 시나리오를 확보해야 합니다. 핵융합 장치의 운전시나리오 역시 영화나 드라마의 시나리오처럼 핵융합 장치의 작동 절차와 운전 조건을 목표에 맞춰 미리 꼼꼼하게 설계해 놓는 것을 말하는데요. 실증로 운전을 위한 시나리오는 핵융합 반응이 지속 가능한 조건 하에 연소 플라즈마를 발생 유지하고, 전원 가동부터 플라즈마의 생성, 가둠, 유지, 소멸에 이르는 모든 실험 절차와 운전 조건을 명시하고 제시할 수 있어야 합니다. 


윤시우 KSTAR 연구본부장은 운전 시나리오에 관해 이렇게 설명했습니다. “처음에 플라즈마를 몇 초에 생성하고, 추가로 자기장을 몇 초에 켜고, 연료를 몇 초에 주입하는 지 등..이 시퀀스가 달라지면 플라즈마의 운전결과도 모두 다르게 나타납니다. 시퀀스를 조절했을 때 운전 성능이 어떻게 최적화되는지를 파악하고 물리적 현상을 분석하면서 운전의 경험이 축적됩니다. 이렇게 KSTAR를 통해 축적한 운전 시나리오 구축에 대한 경험이 실증로와 같은 미래의 장치의 중요한 운전기술로 이어질 수 있습니다.” 


우리나라는 2040년까지 K-DEMO 운전을 위한 표준 시나리오를 수립하고 이에 필요한 플라즈마 운전 관련 주요 기술을 확보한다는 계획입니다. 


좋은 시나리오가 좋은 작품을 만들어내듯 플라즈마 운전에도 시나리오가 필요하다.


 

DEMO 운전 표준 시나리오 수립 및 진단 제어 기술 확보


노심 플라즈마 관련 기술은 크게 제어기술과 진단기술, 시뮬레이션 등으로 구분되는데요. 노심 플라즈마 제어기술 확보는 실증로 운전을 위한 표준 시나리오 수립을 위한 첫 번째 조건입니다. KSTAR, 그리고 향후 ITER 운전을 통해 단계적 기술 확보가 필요한데요. 먼저 KSTAR는 2026년까지 300초 장시간 플라즈마 운전 기술 확보를 위하여 2023년까지 디버터 장치를 텅스텐 소재로 교체하는 등 초고온 장시간 운전으로 나아갈 수 있는 환경 구축에 나섰습니다. ITER의 본격적인 운영이 시작되면 중수소-삼중수소 운전 기반의 제어 기술 확보를 위한 연구가 이루어질 예정입니다. 


플라즈마 진단기술에는 연소 플라즈마 환경에서 동작 가능한 진단 센서, 재료, 설계 기술 등이 필요합니다. 각종 물리 변수의 상관관계를 종합적으로 분석해 플라즈마 실시간 제어에 활용할 수 있는 진단 측정 데이터 통합분석 기술을 개발하는 것이 목표입니다. 연구 장치에서 활용되는 수많은 진단장치 중에서 실증로 수준에서 필요한 기술을 선별하고 더욱 효과적으로 활용하기 위해 어떤 성능 개선이 필요한지 사전 연구가 진행될 예정입니다. 


진단장치는 상당히 예민한 만큼 핵융합 환경과 같은 높은 온도와 중성자 환경에서도 망가지지 않고 정상적으로 작동할 수 있는 방법을 찾아내는 것도 숙제입니다. 실험 장치인 KSTAR에서는 중성자가 발생하지 않지만, K-DEMO 노심에서는 고속 중성자가 다량 생성되기 때문에 중성자에 의한 장치의 손상을 극복하기 위해서는 진단장치를 더욱 견고하고 정밀하게 만들어야 합니다. 


마지막으로 빼놓을 수 없는 부분이 바로 시뮬레이션 연구인데요. 실증로의 운전 시나리오의 적용 가능성 등을 사전 검증할 수 있도록 플라즈마 시뮬레이션 기술을 확보하는 연구입니다. 슈퍼컴퓨터를 활용하여 플라즈마를 정밀하게 모사하고, 빅데이터 기술을 접목한 대용량 데이터 처리 및 통합 분석 소프트웨어 개발 등을 통해 실제 실험과 비교 검증할 수 있는 시물레이션 역량을 확보한다는 계획입니다. 


핵융합로의 내부 소재로 각광받고 있는 텅스텐 (이미지 출처=위키백과)


연구·전문인력 확보 과제


우리나라가 KSTAR처럼 우수한 핵융합 연구장치를 보유하고 있다는 것은 다른 나라와 차별화되는 최대 강점 중 하나입니다. 여기에 ITER 프로젝트 참여로 KSTAR 건설과 운영을 통해 확보한 엔지니어 및 사이언스 역량을 한 단계 더 업그레이드 할 수 있을 것입니다. 


윤시우 KSTAR연구본부장은 “그동안 우리나라는 KSTAR 장치를 통해 국제 핵융합 기술개발을 선도해 왔지만, 아직 갈 길이 멉니다. 초고온 장시간 고밀도 핵융합 연구를 위해서는 현재의 기술 수준을 뛰어넘어 실증로에 적용가능한 분야로 기존 R&D의 확장이 요구됩니다.”라며 앞으로 추진해야 하는 연구의 중요성을 강조했습니다. 


특히 모든 연구진들이 입을 모아 강조하는 것은 인력의 중요성인데요. 향후 ITER 장치운전이 시작됨에 따라 KSTAR 연구진들의 파견 인력 확대가 예상되는 만큼, 이를 대비한 국내 핵융합 플라즈마 실험 전문연구인력의 확보 및 양성이 매우 중요합니다. 


태양보다 더 뜨거운 1억도 플라즈마를 가두는 도전은 현재 진행형인데요. KSTAR 장치 운영을 통해 얻은 것은 기술과 노하우 뿐만이 아니라, 불가능해 보일지라도 결국 해낼 수 있다는 가능성과 희망의 발견에 있다는 사실을 앞으로도 기억해야겠습니다. 


ITER 토카막과 각종 시스템 완성 모습. 2025년 완공을 목표로 건설이 진행되고 있다.




지난 콘텐츠 보기


도장깨기 1편 ‘세계는 지금, 핵융합 실험에서 실증으로’ 바로가기

https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1382


도장깨기 2편 ‘1억도 초고온 플라즈마를 조절하는 보이지 않는 손’ 바로가기

https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1389


도장깨기 3편 ‘꺼지지 않는 1억도 초고온 플라즈마를 향한 도전’ 바로가기

https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1395



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

댓글 0

현재글의 이전글이 없습니다.
이전글
이미지가 없습니다.
현재글의 이전글이 없습니다.
이전글
이미지가 없습니다.

정보에 대해 만족하십니까?

TOP