플라스마 중심 이온온도 1억도 달성 시점의 KSTAR 내부 플라스마 단면 영상 [사진제공=국가핵융합연구소]

한국 인공태양 ‘KSTAR’ 모습 [사진제공=국가핵융합연구소]

[에너지경제신문 권세진 기자] 우리나라의 인공태양 ‘케이스타(KSTAR)’가 핵융합 연구 고비 중 하나로 여겨지는 ‘플라스마 중심 이온온도 1억도(℃) 달성에 성공했다. KSTAR는 미래 에너지원으로 기대되는 핵융합에너지 연구장치를 말한다. 이번 성과는 인공태양이라 불리는 초전도 토카막(Tokamak)형 핵융합 장치 사상 첫 사례이다.

국가핵융합연구소(NFRI)는 13일 KSTAR가 지난해 8~12월 진행한 플라스마 실험에서 핵융합의 가장 핵심적 운전조건인 플라스마 중심 이온온도 1억도(9keV)를 1.5초 동안 유지하는 데 성공했다고 발표했다. 연구소는 플라스마 이온온도 1억도 운전에 성공한 것은 초전도 토카막 핵융합장치로서는 KSTAR가 처음이라고 설명했다.

KSTAR는 이른바 ‘인공태양’이라고 불리는 토카막형 핵융합 연구장치로 태양 에너지가 생산되는 원리인 핵융합 반응을 인공적으로 일으키기 위해 초고온 플라스마를 만들고 유지하기 위한 실험을 2008년부터 10년 동안 수행해오고 있다. 올해는 플라스마를 균일하게 가열할 수 있는 중성자입자빔가열장치-2(NBI-2)를 추가 도입해 1억도 이상 초고온 플라스마를 10초 이상 안정적으로 유지하는 실험을 할 예정이다. 플라스마 이온온도 1억도의 초고온 플라스마를 10초 이상 운전하는 데 성공하면 2025년 첫 플라스마 생성을 목표로 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)의 운영단계에서 고성능 플라스마 실험을 주도할 수 있는 연구 역량을 갖추게 될 것으로 기대된다.

플라스마 이온온도 1억도는 태양 중심온도(1500만도)보다 7배 정도 높은 온도이다. 이온핵과 전자로 분리된 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소 이온이 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 온도로 여겨진다. 핵융합은 태양이 에너지를 생산하는 원리로 수소 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 과정에서 막대한 에너지를 방출한다. 바닷물에서 추출한 중수소와 리튬에서 생산한 삼중수소를 주원료로 하는 핵융합 발전은 인류의 궁극적인 미래 에너지원 후보로 꼽힌다.

태양에서는 매우 큰 중력으로 중심부 플라스마 이온 밀도가 극도로 높아 1500만도에서도 핵융합이 일어나는데 중력이 훨씬 작은 지구에서 핵융합 반응을 일으키려면 플라스마 이온온도가 1억도 이상 초고온이 돼야 한다.

중국과학원 플라스마 물리연구소는 지난해 11월 초전도 핵융합 실험로 ‘이스트’(EAST)로 플라스마 1억도를 달성했다고 발표했는데 이는 핵융합 원료인 이온이 아닌 전자 온도를 높인 것이었다. 초전도 토카막 핵융합 장치는 초전도 자석으로 강력한 자기장을 형성해 초고온 플라스마를 가두는 자기밀폐형 핵융합 장치로 KSTAR와 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)가 채택하고 있다.

KSTAR의 플라스마 이온온도 1억도는 핵융합실증로에 적용할 차세대 플라스마 운전모드를 구현하는 실험을 통해 달성한 것으로 중성자입자빔가열장치(NBI-1)로 플라스마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 성공적으로 적용한 결과이다.