인공태양 KSTAR, 1억도 20초 운전…2025년까지 300초 목표

▲KSTAR 주장치 및 주요 부대장치 현황. (사진제공=한국핵융합에너지연구원)

▲KSTAR 진공용기 내부 모습이다. (사진제공=한국핵융합에너지연구원)

한국의 인공태양 ‘KSTAR(초전도 핵융합연구장치)’가 1억도 초고온 플라스마를 20초간 유지하는 데 성공해 핵융합 연구의 새로운 역사를 쓰는 세계 최고 기록을 달성했다.

한국핵융합에너지연구원(KFE) KSTAR 연구센터는 2020년도 KSTAR 플라스마 실험에서 서울대학교와 미국 컬럼비아 대학교 공동연구를 통해 핵융합 핵심 조건인 1억도 초고온 플라스마를 20초 이상 연속 운전하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

기존 1억도 초고온 플라스마 운전(이온온도 기준)의 세계 최고 기록이자, 2019년도 KSTAR의 초고온 플라스마 운전 기록인 8초를 2배 이상 연장한 성과다. KSTAR는 2018년 실험에서 최초로 플라스마 이온온도 1억도 달성(유지시간 약 1.5초)에 성공한 이후, 매년 초고온 플라스마 운전 세계 기록을 경신하고 있다.

초고온, 고밀도 상태인 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 만들기 위해서는 KSTAR와 같은 핵융합 장치 내부에 연료를 넣고 핵을 구성하는 이온과 전자로 분리된 플라스마 상태로 만든 후, 이온온도를 1억도 이상 초고온으로 가열하고 유지해야 한다. 그동안 다른 핵융합 장치들은 순간적으로 1억도 이상 초고온 플라스마를 달성하는 데는 성공했지만, 이를 10초 이상 유지하는 벽을 넘지 못했다. 이는 상전도 장치의 운전 한계와 핵융합로 내에 안정적으로 초고온 플라스마를 장시간 유지할 수 있는 운전기술의 개발이 어려웠기 때문이다.

KSTAR는 2020년도 실험에서 지난해 달성한 차세대 플라스마 운전모드 중 하나인 내부수송장벽(Internal Transport Barrier, ITB)의 성능을 향상하는 노력을 통해 기존 초고온 플라스마 운전의 한계를 넘어 장시간 플라스마를 유지하는 데 성공할 수 있었다.

윤시우 KSTAR연구센터장은 “이번 KSTAR의 초고온 플라스마 20초 유지 성과는 장시간 고성능 플라스마 운전기술 확보를 위한 중요한 전환점이 될 것으로 본다”고 말했다.

지난 8월부터 장치 운전을 시작한 KSTAR는 12월 10일까지 플라스마 발생 실험을 지속할 계획이다. 고성능 플라스마 운전 및 플라스마 붕괴완화 실험 등 국내외 공동연구 실험을 포함해 총 110건의 플라스마 실험을 수행하게 된다. KSTAR의 최종 운전 목표는 2025년까지 1억도 초고온 플라스마의 300초 연속운전을 달성하는 것이다.

이번 성과를 비롯한 2020년 KSTAR의 주요 실험 결과는 2021년 5월에 개최될 예정인 핵융합 연구자들의 올림픽인 ’IAEA 핵융합에너지 콘퍼런스(Fusion Energy Conference)’에서 전 세계 핵융합 연구자들에게 공개될 예정이다.

▲주요 핵융합장치 플라즈마 온도 1억도 성과 현황. (사진제공=한국핵융합에너지연구원)