국가핵융합연구소 연구원들이 초전도핵융합연구장치 ‘KSTAR’ 진공용기 내부를 점검하고 있다.

한국의 인공태양으로 불리는 초전도핵융합연구장치 KSTAR가 국제공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 운영 난제 해결에 나섰다.

12일 국가핵융합연구소에 따르면 핵융합연은 ITER 운영에 앞서 선행돼야 하는 필수 기술인 ‘플라즈마 붕괴 완화 연구’를 위해 최근 ITER 국제기구로부터 약 55억원 규모의 현물과 현금을 투자받아 대칭형 산탄 입자 주입장치(SPI) 및 관련 플라즈마 진단장치 개발 연구에 착수했다.

플라즈마 붕괴 완화 연구는 ITER의 핵융합 운전 단계에서 반드시 해결해야 하는 핵융합 상용화 핵심 과제로 꼽힌다. 이상 상황 발생 시에도 핵융합로 내부에서 발생하는 초고온 플라즈마를 안전하게 운전해 장치 손상을 최소화하는 기술을 개발하는 것이다.

핵융합에너지 상용화를 위해서는 핵융합로 내부에 태양처럼 핵융합 반응이 일어날 수 있는 초고온 플라즈마를 생성하고, 오랫동안 유지하는 것이 핵심이다. 이 과정에서 엄청난 에너지를 지닌 초고온 플라즈마가 갑자기 붕괴되면 한꺼번에 쏟아지는 에너지로 인해 핵융합 장치에 손상이 생길 수 있다. 이를 해결할 방법으로 플라즈마에 불순물을 투입하는 산탄 입자 주입장치(SPI)를 이용해 플라즈마가 붕괴 시 에너지가 한 곳으로 집중되는 것을 막고 고르게 분산시키는 기술이 연구되고 있다.

ITER국제기구가 KSTAR에서 수행하고 있는 대칭형 산탄 입자 주입 장치 연구에 투자해 플라즈마 붕괴 완화 연구를 추진하기로 결정한 데에는 몇 가지 이유가 있다.

먼저 해당 연구는 메가줄(MJ) 이상의 고에너지 플라즈마가 발생할 수 있는 장치에서 이뤄져야 하는데, 이런 고에너지 플라즈마 발생이 가능한 핵융합 장치는 전 세계에 4개에 불과하다. 이중 ITER에서 계획하고 있는 두 개의 대칭형 SPI 설치 및 실험이 가능한 완벽한 대칭형 구조를 지닌 핵융합장치는 KSTAR가 유일하다. KSTAR의 경우 연구 시작단계부터 ITER를 위한 플라즈마 붕괴 완화 기술 개발에 중점을 두고 2개의 SPI를 한꺼번에 도입하기로 결정한 한 바 있다.

핵융합연 KSTAR연구센터는 플라즈마 붕괴 완화 연구에 필요한 4종류의 진단장치도 동시에 개발, 2021년까지 2대의 SPI를 활용해 플라즈마 붕괴 시 에너지 분산이 얼마나 효과적이고 균일하게 이루어지는지 체계적으로 검증할 계획이다.

미국 에너지부(DOE)에서도 KSTAR를 활용한 플라즈마 붕괴 완화 연구에 투자를 추진한다. DOE는 KSTAR를 활용한 플라즈마 붕괴 예측 및 회피 연구를 수행하기 위해 핵융합연과 공동연구기관인 미국 콜럼비아대학교 및 프린스턴플라즈마연구소에 향후 3년간 약 90억원 규모의 연구 예산을 지원하기로 결정한 바 있다. 미국 연구자들은 KSTAR연구센터와 함께 KSTAR 장치를 활용해 플라즈마 붕괴 예측 및 해석연구, 관련 진단장치 운영, 실시간 제어시스템 구축 등을 추진할 예정이다.

윤시우 KSTAR연구센터장은 “핵융합에너지 상용화를 위한 필수과제인 플라즈마 붕괴 완화 기술 연구를 위해 해외 연구기관들의 투자와 관심이 이어지는 있는 것은 세계 핵융합연구에 있어 KSTAR 장치와 우리 연구자들의 역할이 커지고 있음을 의미한다”며 “KSTAR는 규모는 작지만 ITER와 유사한 부분이 많아 향후 ITER 운영 단계에서도 여러 분야에서 핵심 역할을 수행 할 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 말했다. 구본혁 기자/nbgkoo@