한국의 인공태양 ‘KSTAR(초전도핵융합연구장치)’.[한국핵융합에너지연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 독자기술로 개발한 인공태양 ‘KSTAR(초전도핵융합연구장치)’가 초고온 플라즈마 실험에서 또다시 세계 기록을 세웠다. 이로써 꿈의 핵융합에너지 상용화에 한발짝 다가섰다는 평가다.

한국핵융합에너지연구원 KSTAR 연구본부는 지난 지난해 12월부터 2월까지 진행한 2023년 KSTAR 플라즈마 실험을 통해 핵융합 핵심 조건인 이온온도 1억℃ 초고온 플라즈마 48초 운전 및 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 102초 운전 기록을 달성했다고 20일 밝혔다.

핵융합에너지의 실현을 위해서는 핵융합 반응이 활발히 일어나는 초고온·고밀도 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 기술을 확보해야 한다. 이를 위해 핵융합 연구자들은 KSTAR와 같은 핵융합 장치를 이용해 다양한 플라즈마 운전 연구를 수행하고 있다.

국내 기술로 개발된 초전도핵융합장치인 KSTAR는 그간 핵융합 플라즈마 장시간 운전 기술 분야에서 선도적인 연구 성과를 달성해 왔다. 특히 KSTAR는 지난 2018년 최초로 이온온도 1억℃ 플라즈마 달성 이후 2021년 1억℃ 플라즈마를 30초 유지하며 세계 기록을 달성한 바 있다.

KSTAR 연구진은 이번 실험에서 기존 확보한 초고온 플라즈마 운전 기술 및 가열장치 성능 향상 등을 기반으로 이온온도 1억℃ 초고온 플라즈마 운전을 48초까지 연장했다.

고온·고밀도 플라즈마 상태를 유지하는 가장 대표적인 핵융합 운전모드인 고성능 플라즈마 운전모드(High Confinement mode, H-mode)를 102초간 연속 운전하는 데에도 성공했다.

이는 지난해 KSTAR 내부의 플라즈마 대면 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 교체, 장시간 플라즈마 운전에 따른 성능 감소 현상을 완화해 플라즈마 성능을 유지할 수 있게 된 덕분이다. 텅스텐 디버터는 기존 탄소 디버터와 비교해 동일 열부하에 대해 표면 온도 증가가 약 1/4 수준에 불과, 초고온 플라즈마의 장시간 운전에 유리하다. 하지만 플라즈마 접촉 시 생성되는 불순물에 의한 에너지 손실의 어려움도 있어, 이를 극복하기 위한 운전 기술이 요구된다.

KSTAR 진공용기 내부 모습.[한국핵융합에너지연구원 제공]

윤시우 KSTAR연구본부장은 “텅스텐 디버터 환경에서 진행된 첫 실험임에도 불구하고, 철저한 실험 준비를 통해 기존 KSTAR의 성과를 뛰어넘는 결과를 단시간 내에 달성할 수 있었다”며 “KSTAR 최종 운전 목표 달성을 위해 가열 및 전류구동 장치의 성능 향상을 순차적으로 진행하고, 장시간 플라즈마 운전에 요구되는 핵심기술을 확보할 계획”이라고 전했다.

KSTAR의 최종 목표는 2026년까지 1억℃ 초고온 플라즈마 운전 300초를 달성하는 것이다. KSTAR 연구진은 이를 위해 KSTAR 내벽 부품 전체를 텅스텐으로 교체하고, 인공지능 기반의 실시간 피드백 제어 기술을 확보하는 등 관련 연구 및 장치 성능 개선에 집중할 계획이다.

유석재 한국핵융합에너지연구원장은 “이번 성과로 핵융합 실증로 운전에 필요한 핵심기술 확보에도 청신호가 켜졌다”며 “KSTAR 장치의 안정적 운영을 바탕으로 국제핵융합실험로 ITER 실험 주도와 핵융합 실증로 건설 및 운전을 위한 핵심기술 확보를 위하여 최선을 다하겠다”고 밝혔다.