한국 '인공태양' 70초 지속… 세계 最長 시간 찍었다

국가핵융합연구소, 핵융합로 세계 최장 시간 운전 기록 세워...

꿈의 에너지원 ‘인공태양’ 핵심 기술

(조선일보 2016.12.14 김민수 기자)

'인공태양’으로 불리며 미래 꿈의 에너지원으로 여겨지는 핵융합에너지 상용화 핵심 기술을 한국 연구진이 확보했다. 

국가핵융합연구소는 2009년 가동한 국내 ‘초전도핵융합장치(KSTAR, Korea Superconducting Tokamak Advanced 

Research)’를 상용화하는 데 필요한 ‘고성능 플라즈마’ 운전 시간 70초를 기록, 세계에서 가장 오랜 시간 동안 가동하는 데 

성공했다고 14일 밝혔다. 이는 작년 55초 지속된 운전 시간을 갱신한 것이다.

▲ 국가핵융합연구소가 운영중인 초전도핵융합장치(KSTAR)./국가핵융합연구소 제공

지구 생명체를 있게 하는 에너지 근원인 태양에너지의 원천은 핵융합 반응이다. 

태양은 엄청난 질량에서 나오는 중력이 고온의 이온 상태 물질인 플라즈마를 가두며 핵융합 에너지를 낸다.

과학자들은 지구에서도 핵융합 반응을 일으켜 에너지원으로 활용하기 위한 연구를 지속해 왔다. 

바다에서 얻을 수 있는 중수소를 이온과 전자가 분리된 기체인 플라즈마 상태로 만들어 고온의 열을 가해 핵융합 반응을 

일으키면 중성자가 나오는데, 이 중성자의 에너지를 다시 열로 바꿔 물을 데워 발전기를 돌리면 무한한 전기를 얻을 수 

있기 때문이다.

특히 핵융합에너지는 풍력이나 조력 등 지속가능 에너지처럼 조건이 까다롭지 않고 화석연료에서 나오는 온실가스나 

원자력발전소에서 나오는 고준위 방사성폐기물을 우려할 필요가 없다는 게 특징이다.

미래 에너지원으로 각광받는 인공태양에 대한 글로벌 연구는 2007년 시작됐다. 

한국을 비롯해 미국·러시아·일본·중국·인도 등 6개 국가와 유럽연합(EU)이 프랑스 남부 카다라슈에 건설중인 

국제핵융합실험로(ITER)다. 한국에선 국가핵융합연구소장이었던 이경수 박사가 ITER 사무차장 겸 최고기술책임자를 

맡고 있으며 30여명의 한국 과학자들이 참여하고 있다.

국내에서 연구가 진행중인 KSTAR는 ITER의 규모를 축소한 것으로 운전 및 핵융합 방식 등 기술적으로 거의 유사하다. 

초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가둬두는 자기 밀폐형 핵융합 장치 기술인 ‘토카막(Tokamak)’ 방식이다. 

국가핵융합연구소가 KSTAR를 통해 세계 최장 시간 동안 고성능 플라즈마 운전에 성공한 만큼 국제 프로젝트인

ITER에서도 주도권을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

▲ 2차원 영상으로 확인할 수 있는 고성능 플라즈마의 모습./국가핵융합연구소 제공

특히 실제로 핵융합 발전을 하는 데 필요한 조건인 고성능 플라즈마 운전을 의미하는 ‘H모드’에서 세계 최장 시간 운전했다는

점에서 주목된다. 

플라즈마를 자기장으로 가두는 성능을 약 2배 늘린 H모드는 플라즈마가 보유한 에너지 총량도 두 배 가까이 늘릴 수 있다.

또 국가핵융합연구소는 플라즈마 가둠 성능을 획기적으로 높일 수 있는 차세대 핵융합로 운전 모드 개발 가능성도 확인했다. 

핵융합 발전을 위한 모드인 ‘내부수송장벽(ITB·Internal Transport Barrier)운전’ 모드를 초전도 핵융합장치 중 최초로 구현한 

것이다.

오영국 KSTAR연구센터 부센터장은 

“초고온 기체 상태인 플라즈마를 핵융합 장치 내부에 가두고 지속적으로 핵융합 반응이 일어나도록 유지하는 것이 

핵융합 연구의 핵심”이라며 “KSTAR가 처음으로 H모드에서 ITB 운전에 성공하면서 향후 ITER 연구에서도 

핵심적인 역할을 수행하게 될 것”이라고 말했다.

KSTAR 연구에 참여하고 있는 박현거 UNIST 핵융합 플라즈마 연구 센터 소장은 “대략 2040년 경이면 핵융합발전소를 

건설할 수 있을 정도의 기술력이 축적될 것”이라며 “해외 연구자들이 대거 KSTAR 연구에 참여할 수 있도록 

국제공동연구 환경 조성에 힘쓰겠다”고 말했다.

한국 '인공태양' 70초 지속… 세계 最長 시간 찍었다 (2016.12.15 박건형 기자)

핵융합로 KSTAR 운용 실험 고성능 플라스마 70초간 유지… 기존 기록인 중국의 60초 추월 한국 연구진이 '꿈의 에너지'로 불리는 핵융합로(核融合爐) 운용 실험에서 세계 최고 수준의 성과를 거뒀다. 국가핵융합연구소는 14일 "대전 국가핵융합연구소에 설치된 핵융합로 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak  Advanced Research·사진)가 올해 고성능 플라스마(plasma)를 70초간 유지하는 데 성공했다"면서  "기존 기록인 중국 연구팀의 60초를 뛰어넘는 세계 최장(最長) 시간 운전 기록"이라고 밝혔다. ▲ /국가핵융합연구소 KSTAR는 지구 상에 무한에 가깝게 존재하는 수소를 원료로 사용하는 핵융합발전 실험 장치이다.  수소를 1억도 이상 고온에서 충돌시키면 중성자가 튀어나오는데,  이 중성자의 에너지를 열로 바꿔 물을 데워 발전기를 돌리는 방식이다.  태양이 빛과 열을 내는 원리와 비슷하기 때문에 '인공(人工) 태양'이라고 불린다.  우라늄이 핵분열할 때 나오는 에너지를 사용하는 원자력발전과 달리 방사성 폐기물이 발생하지 않는 청정 에너지이다. 박현거 국가핵융합연구소 핵융합 플라스마 연구센터장은  "1억도 이상의 고온을 내고 유지하기 위해서는 초고온의 불꽃인 플라스마(원자핵과 전자가 분리된 기체 상태)를 만든 뒤  핵융합로 내부의 전자기장 안에 안정적으로 가둬야 한다"면서  "미국·유럽·일본·중국 등 전 세계 10개국 이상이 핵융합발전에 도전하는 상황에서 한국이 가장 오래 플라스마를 유지할 수  있다"고 말했다. 김기만 국가핵융합연구소장은  "플라스마는 불안정하게 움직이는 특성이 있는데 소프트웨어로 전자기장을 미세하게 조절해 70초 정도 유지할 수 있으면  그 이상 시간을 늘리는 것은 어렵지 않다"면서  "내년부터는 핵융합로가 고온에서 오래 버틸 수 있는 소재나 안전 장치 연구도 본격적으로 시작할 계획"이라고 말했다. KSTAR 연구를 통해 얻은 기술은 현재 프랑스 남부 카다라슈에 건설되고 있는  '국제핵융합실험로(ITER)'에 그대로 사용할 수 있다.  높이 30m, 폭 30m 규모인 ITER은 KSTAR보다 27배 크지만 소재와 작동 원리가 같다.  한국·미국·러시아·일본·중국 등이 18조원을 투입해 2025년 처음 가동할 계획이다.  ITER에서 핵융합로의 성능이 입증되면 2040년부터는 전 세계적으로 핵융합로 건설이 본격화될 전망이다.  이경수 ITER 사무차장 겸 최고기술책임자는  "KSTAR 개발과 운용에서 얻어진 각종 기술이 이미 ITER 건설에 활용되고 있다"면서  "핵융합발전소가 상용화되면 현대중공업·다원시스·한전기술 등 KSTAR와 ITER 건설에 참여한 한국 기업들도  큰 이익을 얻을 수 있을 것"이라고 말했다.