[스마트시티투데이]
국내 연구팀이 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식을 개발, 세계적인 주목을 받고 있다.
초전도 핵융합 연구장치(KSTAR) 초고온 핵융합 플라즈마 운전성과와 새로운 운전 방식으로 인정받아 9월 8일자 네이처에 논문이 게재됐기 때문이다.
특히 핵융합로 내벽에 손상을 일으키는 기존 운전방식의 단점을 해결해 향후 미래 핵융합 상용로 운전방식으로 주목받고 있다.
과학기술정보통신부는 한국핵융합에너지연구원과 서울대 공동 연구팀이 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)의 초고온 핵융합 플라즈마 운전 성과를 분석하여 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식(mode)을 발견했다고 밝혔다.
한국핵융합에너지연구원의 ‘초전도 핵융합 연구장치(KSTAR) 공동실험 및 플라즈마 연구’사업과 과학기술정보통신부 ‘핵융합선도기술개발사업’의 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 세계적 국제학술지 네이처(Nature)에 9월 8일 00시(한국시간) 게재됐다.
▶논문명 : A sustained high-temperature fusion plasma regime facilitated by fast ions (교신저자 : 서울대 나용수 교수, 제1저자 : 핵융합(연) 한현선 박사, 서울대 박상진 석박통합과정)
지구 상에서 태양과 같이 핵융합 반응으로 에너지를 만들기 위해서는 초고온·고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가두는 기술을 확보하는 것이 핵심이다.
가장 대표적인 플라즈마 운전 방법은 고성능 플라즈마 운전 모드라고 불리는 'H-모드(High Confinement mode)'로, 이는 상용로 운전을 위한 기본 핵융합 플라즈마 운전 방법으로 고려되며, 차세대 운전 방법 개발의 기준 지표가 되고 있다.
하지만, 'H-모드'에서는 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하기 때문에 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상(Edge Localized Mode.ELM)이 발생하므로, 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다.
이에, 핵융합 연구자들은 ELM을 제어하는 방법을 연구하는 한편, 더욱 안정적인 플라즈마 운전 모드를 찾기 위해 노력하고 있다.
국내 연구진은 '초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)'의 운전데이터 분석과 모의실험 검증을 통해, 플라즈마 가열시 발생한 고속 이온(높은 에너지의 입자들)이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 온도를 급격히 높이는 현상을 발견하고, 이를 새로운 운전모드인 ‘FIRE(Fast Ion Regulated Enhancement) 모드’로 명명했다.
'F-모드'는 기존 H-모드 대비 플라즈마 성능을 개선함과 동시에 H-모드의 단점인 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않고, 운전 제어도 용이하다는 장점이 있어 미래 핵융합 상용로의 플라즈마 운전 기술 확보를 위한 새로운 가능성을 열었다.
이번 연구성과는 지난 몇 년간 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)에서 달성한 초고온 플라즈마 장시간 운전 성과(이온온도 1억도의 초고온 플라즈마 30초 연속운전 성공)
의 독창성이 일반 학계에서도 인정받았다는 것에 의의가 있다.
또한 고속이온의 물리적 이해를 바탕으로 향후 국제핵융합실험로(ITER) 및 핵융합 실증로 운전 기술 개발에 기여할 것으로 기대되고 있다.
서울대 나용수 교수는 “FIRE 모드는 예측한 대로 실험이 진행되지 않았던 실패한 실험 결과를 분석하다가 새롭게 얻어진 창의적인 결과물로 한국의 핵융합 연구가 기존과 다른 독창적인 방식으로 이루어질 수 있음을 보여준 사례"라며 “이러한 초고온 플라즈마 운전 영역 발견은 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)가 초정밀도로 건설되었기에 가능했던 결과이자 국내외 대학, 연구소의 긴밀한 협력으로 가능했다”고 밝혔다.
핵융합(연) 한현선 박사는 “이번 연구성과는 플라즈마의 밀도·온도·가둠시간이라는 핵융합 실현의 세 가지 조건 중에서도 특히 온도 측면에 집중하여 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)의 가열 성능을 플라즈마 중심부에 집중시키는 새로운 접근이 있었기에 가능했던 결과”라며, “FIRE 모드와 고속이온에 대한 추가 연구를 통해 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)의 1억도 초고온 플라즈마 운전성능 및 지속시간도 더욱 향상될 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.
■한국핵융합에너지연구원 한현선 박사
▷연구를 시작한 계기나 배경은?
▶서울대학교 연구팀(나용수 교수 주관)에서는 하이브리드 시나리오라는 플라즈마 운전 모드에 대한 연구를 활발히 추진하고 있었고, 하이브리드 모드에 진입하기 위한 다양한 조건을 실험 중에 있었다.
그리고 한국핵융합에너지 연구원에서는 일반적인 내부수송장벽(ITB) 모드에서 초고온 이온플라즈마를 생성하고 유지하는 실험을 수행 중에 있었다.
각각의 연구를 수행하는 중에서 upper single null 형태의 플라즈마 형상에서 플라즈마 밀도를 낮추었을 때, 높은 플라즈마 성능과 1억도가 넘는 이온온도를 측정하는 것을 공통적으로 확인하였고, 이러한 성능향상에 대한 구체적인 분석을 함께 수행하게 됐다.
▷연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복, 해결했나?
▶초전도 핵융합 연구장치(KSTAR) 초고온 이온온도 플라즈마 실험 결과 자체만으로는, 차후 상용로를 가정한 플라스마 환경에서도 고속이온이 충분한 역할을 할 수 있는지를 판단하기 어려웠고, 이러한 점에 대해서 Referee의 의문도 있었다.
이에 대해서 한국과학기술원 성충기 교수팀에서 비선형 전산모사를 통하여 우리의 결과를 지지할 수 있는 수치결과를 도출하였고, 차세대 장치를 대상으로도 충분히 연구할 가치가 있는 주제임을 설득할 수 있었다.
▷이번 성과, 무엇이 다른가?
▶현재 차세대 토카막 장치는 H-모드에 기반한 플라즈마를 기반으로 그 성능 및 운전방향을 추정하고 있다.
이는 필연적으로 경계영역불안정성현상(ELM)에 대한 우려를 내포하고 있어, 이를 제어하는 방법이 많이 연구되어오고 있다.
그런데 이번에 우리가 제시한 FIRE-모드는 경계영역불안정성 현상이 일어나지 않는 H-모드와 다른 플라즈마 상태이기 때문에 이에 관한 염려가 사실상 없다.
그럼에도 기존의 H-모드와 비슷한 성능을 내고 있기 때문에, 시나리오를 계속적으로 개발해 나간다면, 상용로에서 사용할 수 있는 대안 시나리오로 활용할 수 있을 것이다.
▷실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
▶핵융합발전을 위한 플라즈마 시나리오 개발은 핵융합연구의 핵심주제 중 하나이며, FIRE-모드는 이러한 연구에 새로운 방향을 제시하였다고 할 수 있다.
현재는 다소 낮은 밀도에서 운전을 하기 때문에, 높은 온도를 계속 유지하면서도 플라즈마의 밀도를 계속 높일 수 있는 조건에 도달하기 위한 연구를 계속하여야 한다.
이를 위해서 우선 고속이온이 플라즈마의 성능향상에 영향을 주는 상세한 과정을 알아내고자 한다.
[미니해설]
▶초전도핵융합연구장치 운영의 필요성
핵융합에너지는 에너지 부족 문제와 화석에너지 남용으로 인한 기후변화 문제를 해결할 수 있는 미래 녹색 에너지원으로 가장 주목받고 있다.
핵융합은 바닷물에 많이 포함되어있는 중수소와 리튬을 활용한 에너지로 자원이 거의 무한하고, 온실가스로 인한 환경오염이나 고준위 방사성 폐기물 발생 문제들이 없는 에너지이다.
에너지 수입의존도가 97%가 넘는 우리나라의 경우 새로운 에너지원을 개발하고 에너지 기술을 갖는 것이 국력을 키우고 미래 성장 동력을 만드는 가장 큰 힘이 된다.
복잡한 특성을 지닌 핵융합로 개발과 운영에는 초고온, 고진공, 극저온 등 극한 환경에 필요한 각종 첨단기술이 필요하다.
뿐만 아니라 핵융합로 진단과 제어, 핵융합 시뮬레이션 등에 필요한 다양한 첨단 IT도 접목된다.
이렇듯 첨단기술의 집약체인 핵융합에너지 연구개발은 높은 수준의 과학기술 없이는 연구 진행이 어려워 참여 자체가 우리나라의 첨단과학의 위상을 보여주는 것이라고 할 수 있다.
더불어 연구 과정에서도 다양한 첨단기술 발전을 이끌어 미래 성장 동력 확보에도 기여하게 되는 장점이 있다.
핵융합에너지를 얻기 위한 많은 선진국들의 노력이 계속 되고 있는 지금 우리나라도 초전도핵융합연구장치 연구를 포함한 핵융합 연구에 지속적인 노력을 통해 미래 에너지 기술의 보유국으로 성장할 것으로 기대하고 있다.
▶초전도핵융합연구장치(KSTAR)란?
초전도핵융합연구장치 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 핵융합 연구의 후발국이었던 우리나라가 빠르게 선진국과 나란히 핵융합 원천기술을 확보하고, 21세기 핵융합에너지 상용화를 선도하기 위하여 국내기술로 개발·제작한 가장 진보된 형태의 핵융합장치다.
초전도핵융합연구장치는 12년의 개발 기간을 통해 2007년 9월 건설 완공되었으며, 종합 시운전을 거쳐 2008년 7월 최초 플라즈마 발생을 선언하고 본격적인 운영단계에 들어섰다.
초전도핵융합연구장치는 국제핵융합공동연구장치로서 핵융합 상용화에 필요한 난제 해결을 위한 실험을 매년 수행하고 있으며, 특히 국제핵융합실험로 국제핵융합실험로의 약 25분의 1규모로, 국제핵융합실험로 완공 때까지 국제핵융합실험로 건설 및 운영에 필요한 기초실험 기술 자료를 상호보완적으로 제공하고 있다.
▶초전도핵융합연구장치의 특징
핵융합에너지는 수소같이 가벼운 원자핵이 합쳐져 헬륨처럼 무거운 물질로 변환될 때 발생하는 에너지로 태양에너지의 원리이기도 하다.
핵융합 반응을 위해서는 1억도 이상의 초고온의 플라즈마 상태, 즉 이온화된 기체인 물질의 네 번째 상태가 되어야 하는데, 지구에서 태양과 같은 핵융합 반응이 일어날 수 있는 환경을 만들기 위해서는 초전도핵융합연구장치와 같은 핵융합장치가 필요하다.
태양의 중심보다 더 뜨거운 초고온의 플라즈마를 가두기 위하여 강력한 자기장을 이용한 것이 초전도핵융합연구장치와 같은 토카막형 핵융합장치이며, 초전도핵융합연구장치는 특히 저항이 없는 초전도 자석을 이용하여 핵융합 반응을 오랫동안 지속시킬 수 있다.
▶초전도핵융합연구장치의 주요 성과
우리나라는 초전도핵융합연구장치 건설을 통해 세계 최고 성능의 초전도자석 제작기술 등 핵융합 관련 10대 원천기술을 확보할 수 있었으며, 이는 핵융합연구의 후발주자였던 우리나라를 핵융합 주도국 반열에 올려놓았다.
또한 초전도핵융합연구장치 건설에 참여한 70여 개 산업체들은 초전도핵융합연구장치 건설 과정에서 얻은 노하우를 바탕으로 국제핵융합실험로 사업의 국내 조달품목 제작과 국제핵융합실험로 국제기구에 발주하는 사업에 참여하고 있다.
특히 초전도핵융합연구장치에 사용된 신소재 초전도체(Nb3Sn)는 국제핵융합실험로에 사용되는 것과 같은 것으로 현재까지 모든 초전도 자석이 Nb3Sn으로 만들어진 핵융합 장치는 초전도핵융합연구장치가 유일하다.
때문에 초전도핵융합연구장치는 국제핵융합실험로의 축소판으로 불리며 국제핵융합실험로의 본격적인 운영 전에 사전 시험 장치로 세계의 주목받고 있다.
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