청정에너지 '핵융합' 성큼···한국 '인공태양(KSTAR)' 세계신기록

[이데일리 강민구 기자] 한국의 ‘인공태양(KSTAR)’이 1억도 초고온 플라즈마를 20초 동안 유지하는데 성공하며, 인류의 핵융합 연구의 역사를 새로 썼다.

핵융합 발전은 핵분열을 이용해 에너지를 발생시키는 원자력 발전과 달리 수소 핵융합을 통해 청정에너지를 발생시킨다. 바닷물에서 얻은 중수소와 삼중수소를 이용한다는 점에서 자원이 무한하고, 온실가스 발생이나 폭발 위험이 없는 청정에너지로 주목 받는다.

한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구센터는 올해 KSTAR 플라즈마 실험에서 서울대, 미국 컬럼비아대와 공동연구로 핵융합 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마를 20초 이상 연속 운전했다. 기존 1억도 초고온 플라즈마 운전의 세계 최고 기록이자 지난해 KSTAR의 초고온 플라즈마 운전 기록인 8초를 2배 이상 연장한 기록이다.

유석재 한국핵융합에너지연구원장은 “인류가 경험하지 못한 20초를 달성하는데 성공한 것으로 KSTAR의 우수성을 입증했다”며 “2025년 1억도 이상에서 300초를 달성해 장시간 운전과 핵융합에너지 실현을 목표로 도전적인 연구를 지속하겠다”고 했다.

KSTAR 주장치.(사진=한국핵융합에너지연구원)

1억도 이상 장시간 운전 핵심…해외 국가는 수초만 유지

초고온, 고밀도 상태인 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 구현하려면 KSTAR와 같은 핵융합 장치 안에 연료를 넣고 핵을 구성하는 이온과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 만들어야 한다. 이후 이온온도를 1억도 이상 초고온으로 가열해 유지해야 한다. 핵융합연에 따르면 물리적 특성상 1억도에서 300초 이상 유지에 성공하면 24시간 핵융합 에너지를 구현하는데 무리가 없다.

그동안 해외의 핵융합 장치들은 순간적으로 1억도 이상 초고온 플라즈마 달성에는 성공했지만 이를 10초 이상 유지하지 못했다. 한국은 지난 1995년 KSTAR 개념설계를 시작해 2007년 초전도 자석을 이용한 초전도핵융합연구장치를 한국핵융합에너지연구원 내 설치해 실험을 진행하며 가장 앞선 기록을 달성했다.

이와 달리 일본, 중국 등 해외 주요 국가들은 상전도 구리 자석을 핵융합 장치에 활용하고 있다. 이 장치는 플라즈마를 가두기 위한 강력한 자기장 형성을 위해 높은 전류를 오랫동안 자석에 흘리게 되면, 저항으로 자석의 과도한 온도상승이 일어나 장시간 연속운전하기 어렵다. 상전도 장치의 운전 한계와 핵융합로 내에 안정적으로 초고온 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 운전기술의 개발이 어려워 10초 구간을 넘지 못했다. 중국이 전자온도에서 10초를 달성했지만 이온온도와는 기술적 격차가 있다.

반면 KSTAR는 올해 실험에서 지난해 달성한 차세대 플라즈마 운전모드 중 하나인 내부수송장벽의 성능을 향상시켜 기존 초고온 플라즈마 운전 한계를 넘어 장시간 플라즈마를 유지하는 데 성공했다.

핵융합연은 오는 2025년까지 KSTAR에서 1억도 초고온 플라즈마의 300초 연속운전을 달성하는 것을 목표로 하고 있다.

윤시우 KSTAR 연구센터장은 “1억도 초고온 플라즈마의 장시간 운전기술은 핵융합에너지 실현을 위한 핵융합 핵심 과제”라며 “이번 KSTAR의 초고온 플라즈마 20초 유지 성과는 장시간 고성능 플라즈마 운전기술 확보를 위한 중요한 전환점이 될 것”이라고 했다.

이번 연구를 함께 수행한 나용수 서울대 원자핵공학과 교수는 “KSTAR 실험을 통해 장시간 초고온 운전에 성공함으로써 핵융합에너지 실현을 위한 핵융합로 운전 기술 개발에 한 발짝 더 나아가게 됐다”고 의미를 부여했다.

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