핵융합의 핵심 운전조건인 '이온온도 1억도'
1억도 이상 초고온 플라즈마 1.5초 동안 유지

핵융합에너지 상용화 연구를 위해 개발·운영되는 초전도핵융합연구장치 'KSTAR'가 플라즈마 중심 이온온도를 1억도 이상으로 올리는 데 성공했다.

국가핵융합연구소 KSTAR연구센터는 핵융합의 가장 핵심적인 운전조건인 이온온도 1억도 이상 유지하는 초고온 고성능플라즈마를 실현했다고 13일 밝혔다.

KSTAR는 일명 '인공태양'이라 불리는 '토카막'(Tokamak)형 핵융합장치다. 토카막은 태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치다.

KSTAR는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마를 만들고 유지하는 실험을 수행하며 핵융합 발전 실현을 위한 연구를 하고 있다.

플라즈마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있다. 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 상용화를 위한 핵심 과제다.

플라즈마 이온온도 1억도는 태양 중심 온도의 7배에 달하며, 향후 적용될 핵융합 발전 방식인 중수소-삼중수소 간 핵융합 반응이 일어날 수 있는 최적의 온도로 알려져 있다. 플라즈마 이온온도 1억도 운전에 성공한 것은 초전도 토카막 핵융합장치로서는 KSTAR가 처음이다.

태양보다 중력이 훨씬 작은 지구에서 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 이온핵과 전자로 분리된 플라즈마 상태에서 이온들(중수소, 삼중수소)의 온도가 1억도 이상 초고온이 돼야 한다.

이번 성과는 향후 핵융합로에 적용될 차세대 플라즈마 운전모드 중 하나인 내부 수송 장벽(Internal Transport Barrier, ITB) 모드를 구현하는 실험을 통해 달성됐다. 이는 중성입자빔가열장치 등 KSTAR 가열장치의 효율을 높일 수 있도록 플라즈마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 적용한 결과다.

초고온 플라즈마의 장시간 운전은 핵융합 상용화 구현을 위한 핵심운전기술이다. 올해 도전적인 연구 목표인 이온온도 1억도 초고온 플라즈마를 10초 이상 운전하는 데 성공하면, 국제 공동으로 건설하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 운영단계에서 고성능 플라즈마 실험을 주도할 수 있는 연구 역량을 갖추게 될 것으로 보고 있다.

KSTAR연구센터의 한 관계자는 "제한적인 가열장치 입사조건하에서 진행돼 1억도 이상 초고온 플라즈마를 1.5초의 짧은 시간 동안 유지하는 데 그쳤다"며 "NBI-2(중성입자빔가열장치-2)를 활용해 1억도 이상 초고온 플라즈마를 세계 최초로 10초 이상 안정적으로 유지하는 것이 목표"라고 밝혔다.