한국의 ‘인공 태양’을 체험해 볼 수 있다?

국가핵융합연구소 'KSTAR 온라인 투어' 마련

최근 국내에서 핵융합 연구사에 있어 길이 남을 경사가 탄생했다. 지난 3월 우리나라의 KSTAR가 1억℃에 달하는 초고온 플라즈마를 8초간 유지하는 데 성공했기 때문이다.

국가핵융합연구소(NFRI)가 개발한 초전도핵융합연구장치인 KSTAR는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 일으키는 초고온 플라즈마 실험을 수행하는 연구시설이다.

‘인공 태양’이라 불리는 별명답게 KSTAR는 지난 2018년 추진했던 실험에서 태양 중심온도의 약 7배에 달하는 1억℃ 초고온 플라즈마 운전을 1.5초 성공한 바 있으며, 이번 실험에서는 초고온 플라즈마의 유지시간을 5배 이상 연장하는 데 성공했다.

세계 모든 핵융합연구장치에서 1억℃ 수준의 초고온 플라즈마를 5초 이상 유지하는 데 성공한 사례는 우리나라의 KSTAR가 최초다.

이처럼 우리나라 뿐만 아니라 전 세계 핵융합 시스템의 발전에 커다란 기여를 하고 있는 KSTAR에 대해 직접 체험해 볼 수 기회가 과학의 달인 4월을 맞아 마련되었다.

오프라인 견학을 그대로 재현하는 온라인 견학 프로그램이 제공될 예정이다 ⓒ NFRI

국가핵융합연구소가 운영하고 있는 유튜브 채널을 통해 공개될 ‘대한민국의 태양 KSTAR 온라인 투어’가 바로 그것.

조만간 영상으로 제공될 KSTAR 견학 프로그램은 그동안 오프라인 형태로 운영되었던 연구시설 안내의 기회를 온라인에서 그대로 재현한다는 것이 국가핵융합연구소의 계획이다.

이에 앞서 국가핵융합연구소는 KSTAR 시설을 돌아보며 온라인 견학에 필요한 지식과 정보를 미리 배워볼 수 있는 영상을 선공개했다.

이에 대해 국가핵융합연구소의 관계자는 “KSTAR는 핵융합 시스템인 만큼, 견학하는 동안에 생소한 용어와 설명이 나오게 된다”라고 설명하며 “따라서 반드시 견학 전에 장치의 이름이나 원리 등을 숙지하는 것이 견학에 도움을 줄 수 있다”라고 말했다.

지구에서 태양과 흡사한 형태를 만드는 인공 태양

‘KSTAR’는 ‘Korea Superconducting Tokamak Advanced Research’의 약자로서, 최첨단 핵융합 연구를 위해 국내 연구진이 개발한 초전도 토카막이라는 뜻이다. 토카막이란 핵융합 과정에서 물질의 제 4상태라 할 수 있는 플라스마 상태로 변하는 핵융합 발전용 연료기체를 담아두는 용기를 뜻한다.

KSTAR를 인공 태양이라고 부르는 이유는 바로 KSTAR가 지구에서 태양과 가장 흡사한 형태를 만드는 장치이기 때문이다. 태양은 주성분인 수소가 원자핵과 전자가 분리되어 있는 플라즈마 상태에서 원자핵끼리 부딪쳐 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합 반응을 일으킨다.

토카막 내에서 발생하고 있는 핵융합 반응 ⓒ NFRI

이런 반응을 통해 발생한 어마어마한 에너지가 바로 태양이 뿜어내는 빛과 열에너지의 근원인 셈이다. 따라서 만약 이런 에너지를 인위적으로 조작하여 만들어 낼 수만 있다면 인류 최대의 숙제라 할 수 있는 에너지 문제를 일거에 해결할 수 있다.

이를 위해 전 세계의 내노라하는 국가들은 KSTAR 같은 초전도핵융합연구장치를 통해 핵융합에너지 상용화라는 목표를 이루기 위한 노력을 다하고 있다. 대표적인 장치들로는 미국의 NSTX-U 과 독일의 ASDEX-U, 그리고 중국의 EAST 등이 꼽힌다.

플라즈마 유지 시간을 10초 이상 늘리는 것이 올해 목표

국가핵융합연구소가 선공개한 드론영상에서는 주장치실이 펼쳐지면서 거대한 KSTAR가 그 위용을 자랑하는 장면이 나온다. 주장치실 공간은 가로와 세로가 각각 37m와 50m이고, 높이는 30m로서 축구장 1/4에 해당된다.

주장치실은 기둥이 하나도 없는 공간으로 이루어져 있는 것이 특징인데, 그 안에 높이와 너비가 각각 9m이고, 무게 1000톤에 달하는 KSTAR가 설치되어 있다.

KSTAR 옆으로는 최근에 업그레이드된 장치들이 나란히 설치되어 있다. 그 중에서도 플라즈마 이온온도를 1억℃까지 끌어올리는데 결정적 영향을 미친 중성입자빔가열장치(NBI-2)는 핵융합연구소가 자랑하는 핵심 장치다.

중성입자빔가열장치는 수소 양이온 입자에 높은 전압을 가해 빠른 속도로 가속한 뒤 중성화시켜 핵융합 장치 내부의 플라스마에 충돌시키는 장치다. 이를 통해 핵융합에 필요한 1억℃까지 플라스마의 온도를 올릴 수 있다.

전 세계 핵융합 역사를 새로 써내려 가고 있는 KSTAR의 위용 ⓒ NFRI

이어서 최근 2MW 용량이 증설된 전자공명가열장치(ECH)도 빼놓을 수 없는 핵심장치다. 이 장치는 공명 주파수 대역이 전자의 회전 주파수와 일치한다는 특성이 있어서, KSTAR 내의 자기장 분포나 전자기파의 방사 방향에 따라 매우 다양한 용도로 가열할 수 있다.

충돌이나 가열처럼 물리적 효과를 제공하는 장치 외에도 핵융합 연구에서 필요한 장치로는 보다 정확하고 자세한 데이터를 얻을 수 있는 기기가 꼽힌다. 대표적으로는 톰슨산란레이저광학계가 있다.

톰슨산란(Thomson Scattering)이란 전자파에 의해서 전자가 강제 진동을 일으키고, 이 전자가 원천이 되어서 2차적으로 전자파가 방출되는 현상으로서 이를 활용한 레이저 광학계는 아주 짧은 파장의 난류를 측정할 수 있는 장치다.

이에 대해 국가핵융합연구소의 관계자는 “지난 2018년에는 1억℃ 이상 초고온 플라즈마를 1.5초라는 짧은 시간 동안 유지하는데 그쳤다”라고 밝히며 “하지만 이번에 업그레이드된 장치들을 활용하여 올해는 10초 이상을 안정적으로 유지하는 것을 목표로 실험에 임하고 있다”라고 전했다.

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