1억도 30초, 세계신기록 경신한 KSTAR

1억도 30초, 세계신기록 경신한 KSTAR

한국의 인공태양인 'KSTAR'가 1억도 초고온 플라스마를 30초간 유지하는 데 성공했는데요. 전 세계에서 인공태양에 주목하는 이유를 알아볼까요?

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ⓒ 한국핵융합에너지연구원

한국 인공태양, 1억도 30초 운전 성공

최근 국내 독자기술로 개발한 인공태양인 ‘KSTAR’가 1억도 초고온 플라스마를 30초간 유지하는 데 성공하며 세계기록을 경신했습니다. 이는 2020년에 달성한 20초 기록을 1년 만에 10초 더 늘린 결과인데요. 한국핵융합에너지연구원은 핵융합의 핵심조건인 초고온 플라스마 장시간 운전기술에서 매년 새로운 역사를 쓰고 있습니다.

  • 플라스마: 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태로, 고체, 액체, 기체에 이어 제4의 물질 상태입니다.


KSTAR는 2018년 핵융합 플라스마 이온온도 1억도를 달성하고 약 1.5초간 유지하는 데 성공한 이후 매년 유지시간을 연장해왔는데요. 이번 성과는 KSTAR 가열 성능이 향상되고, 플라스마 제어 기술이 개선되면서 핵융합로 운전을 위한 차세대 운전 모드인 내부수송장벽(ITB) 모드의 안정성이 향상된 결과입니다.


인공태양에 주목하는 이유가 뭘까?

‘KSTAR’는 국내 기술로 완성한 '인공태양'이라고 불리는 핵융합에너지 연구장치입니다. 인공태양은 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 재현해 그 열로 전기를 생산하는 장치인데요. 지구에서 태양과 똑같은 핵융합 반응을 일으키려면 플라스마 상태를 만든 뒤 1억도 이상의 초고온으로 가열·유지해야 합니다.


이때 1억도 이상의 초고온의 플라스마 상태를 감당할 수 있는 용기가 필요한데요. 다만, 1억도의 불꽃을 가둘 수 있는 물질은 세상에 없습니다. 그래서 물질과 맞닿지 않으면 소재가 녹지 않는다는 점을 이용해 초전도자석으로 자기장을 발생시킨 후 자기장을 이용해 불꽃을 공중에 띄워 놓는 방식을 이용합니다.


KSTAR 연구 목표는 핵융합을 구현해 전기 생산을 하는 것인데요. 핵융합에너지는 수소라는 값싼 무공해 에너지원을 사용하기에 핵ㆍ화석연료 발전을 대체할 수 있는 주요 기술로 주목받고 있습니다. 바닷물에서 뽑아내는 중수소와 리튬을 주원료로 쓰는 데다, 고준위 방사성 폐기물이 나오지 않기 때문입니다. 특히 만들 수 있는 에너지량이 매우 큰데, 연료 1g의 힘이 석유 8t과 맞먹습니다.


그래서 전 세계 곳곳에서 인공태양을 만들기 위한 경쟁이 뜨겁습니다. 핵융합 연구에 한국을 비롯해 미국, 유럽연합, 러시아, 중국 등에서 노력을 기울이고 있는데요. 수십 년간 국가와 국제기구 차원에서 추진해온 핵융합 발전에 민간 스타트업들도 대거 뛰어들고 있습니다. 이들이 모은 투자금만 18억달러(약 2조1200억원)에 이르고, 구글·아마존·NASA도 인공태양 스타트업에 투자하고 있죠.


2026년에 300초를 달성하자!

한국핵융합에너지연구원은 2026년 1억도 초고온 플라스마 유지 300초 달성한다는 계획을 세우고 관련 연구와 실험을 계속해나갈 방침입니다. KSTAR는 운전시간 연장을 위해 전원장치의 개선 및 내벽온도 상승을 억제할 텅스텐 재질의 디버터를 설치하고 보다 높은 ITB 모드의 안정성 유지를 위한 실시간 피드백제어 기술을 확보하고자 합니다.

  • 디버터: 핵융합 반응 과정에서 생성된 헬륨 등과 같은 불순물을 핵융합로 외부로 배출시키는 역할을 하는 부품입니다. 지금까지는 탄소 소재의 디버터로 실험이 가능했지만, 고성능 플라스마 운전을 위해서는 텅스텐 소재의 디버터가 필요합니다.


물리학자들은 초고온 플라스마를 연속운전할 수 있는지 가늠할 수 있는 모든 물리적 변수가 300초 안에 다 이루어지기 때문에 핵융합 발전이 24시간, 365일 전기를 생산할 수 있는 최소 기준으로‘300초간 플라스마 유지’를 꼽는데요. 연구진들은 2026년까지 300초 벽을 돌파한 후 2030년대에 핵융합 상용화 발전을 구상하고 있습니다.

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한국은 전 세계 6개국과 함께 국제핵융합실험로(ITER) 건설 프로젝트도 추진하고 있는데요. 한국은 플라스마 유지 기술과 소재·부품 제작 측면에서 세계 최고 수준으로 KSTAR가 이 프로젝트의 기본 모델이 되고 있습니다.