한국핵융합에너지연구원, 이온온도기준 1억°C 플라즈마 20초 이상 운전 성공
지난 11월 24일 ‘한국핵융합에너지연구원’은 한국의 ‘KSTAR’를 활용하여 이온온도기준 1억°C 초고온 플라즈마를 20초 이상 운전하는 것에 성공했다.
한국핵융합에너지연구원은 2007년 초전도 핵융합 연구 장치인 KSTAR를 이용하여 실험을 시작한 이후, 2018년에 1억°C 플라즈마를 1.5초간 유지했으며 올해 2월에는 8초 이상 1억도°C 초고온 플라즈마 운전 유지에 성공한 바 있기도 하다.
KSTAR는 직경 9.4m, 높이 9.6m, 무게 1,000ton이며 세계 최초로 Nb₃Sn(나이오븀틴) 초전도 자석을 적용한 초전도 핵융합 연구 장치다.
초전도 핵융합 장치가 아닌 일반 구리 전자석을 이용한 일본의 ‘JT60-U’는 1999년에 이온 온도 1억°C를 약 5초간 유지했고 유럽의 ‘JET’는 이온 온도 1.1억°C를 약 7초간 유지하는 것에 성공한 적은 있었다.
그러나 일반 구리 전자석을 이용한 상전도 핵융합 장치는 강력한 자기장을 형성하기 위해 높은 전류를 연속적으로 흘릴 경우, 구리 전자석의 저항으로 인해 급격한 온도 상승이 일어나 장시간동안 강력한 자기장을 형성하는 것에 한계가 있었다.
이러한 한계 때문에 결국 핵융합 연구를 진행하던 세계 각국들은 상전도 핵융합 장치가 아닌 초전도 자석을 활용한 초전도 핵융합 장치 등으로 연구 방향을 전환했다.
일본 또한 상전도 핵융합 장치에서 ‘JT60-SA’라는 초전도 핵융합 연구 장치를 활용한 연구로 방향을 전환하고 있다.
KSTAR 사업의 최종 목표는 플라즈마를 진공용기 내에 가두기 위해 진공용기 둘레에 설치된 D자형 자석인 트로이달 초전도 자석의 자기장세기 3.5테슬라(T), 플라즈마 지속시간 300초, 플라즈마 전류 2.0 MA, 플라즈마 온도 3억°C에 도달하는 것이다.
한국핵융합에너지연구원은 KSTAR 사업을 통해 초고온 고밀도 플라즈마의 장시간 운전제어 기술 및 가열·진단 등 핵심 부대장치의 성능 고도화 관련 공학기술의 확보와 함께, 핵융합 물리이론 확립을 위한 검증 실험, 경계면 불안정 현상 등 핵융합발전 난제 해결을 위한 실마리를 찾을 수 있을 것이라 전망하고 있다.
핵융합 분야에서 강력한 주목을 받았던 중국
2018년 12월 19일 미국 경제 분야 전문지인 ‘비즈니스 인사이더(Business Insider)’는 중국의 초전도 핵융합 연구 장치인 ‘EAST’가 태양의 6배 수준인 1억°C를 10초 이상 유지하는 것에 성공했다는 보도를 낸 바 있는데 국내 언론들도 관련 소식을 집중적으로 보도한 바 있었다.
당시 한국은 1억°C를 1.5초간 유지하는 정도였으며 2019년 말쯤 2020년 초에나 8초간 유지할 수 있다는 연구결과가 나와 핵융합 분야에서 중국이 한국을 추월한 것이 아닌가 하는 의문이 제기되기도 했다.
그러나 중국이 1억°C를 10초 이상 유지한 것은 이온이 아니라 전자라는 사실이 알려지면서 관련 의문은 사그라들기 시작했다.
핵융합은 수소와 같은 가벼운 원소의 원자핵 2개 이상이 서로 융합하는 현상으로 전자가 아닌 이온 상태의 원자핵이 보유한 에너지 수준이 높아야 핵융합 반응이 잘 일어난다.
즉 중국이 1억°C 기록을 달성한 전자가 아닌 한국이 1억°C 기록을 달성한 이온 상태 원자핵의 온도가 높아야 핵융합 반응이 잘 일어난다고 볼 수 있다.
게다가 일반적으로 전자보다 이온의 온도를 높게 유지하는 것이 어렵기 때문에 핵융합 분야에서 중국의 기술이 한국의 기술을 추월했다는 주장이 힘을 잃기 시작했다.
하지만 중국의 핵융합 기술 수준이 한국을 추월했다는 주장의 근거가 약하다는 점이, 곧 중국의 핵융합 기술 수준이 낮다는 것을 의미하지는 않는다.
중국의 초전도 핵융합 연구 장치인 ‘EAST’는 한국의 KSTAR 투입시기와 거의 비슷한 2006년에 완공된 후 실험에 투입되어 비교적 오랜 기간 관련 데이터와 기술을 축적해왔다.
또한 2017년 기준 중국은 플라즈마 온도가 4000만°C로 비교적 낮지만 세계 최초로 고성능 플라즈마 운전 조건인 ‘H-모드’를 101.2초간 유지하는 것에 성공했을 정도로 결코 기술력이 낮지 않다는 평가가 나온다.
현재 핵융합 분야는 상용화를 향해 나아가고 있는 연구 단계이므로 연구를 추진하고 있는 국가끼리 경쟁도 요구되지만 동시에 협력도 유지해야 할 필요가 있는 상황이다.
따라서 핵융합 분야에서 한국은 미국, 유럽, 중국, 일본을 포함한 국가들과 선의의 경쟁을 펴는 동시에 ITER 등의 협력 체계에 적극 동참할 필요가 있다는 의견이 제기되고 있다.