한국 기술로 빛나는 ‘인공태양’…‘KSTAR’ 지나온 10년, 다가올 10년

■국산 기술 핵융합 장치 KSTAR.. 세계 핵융합 연구선도
■가동 10년째.. 1억도 운전·난제 해결 등 신기록

차세대 에너지원의 끝판왕 '핵융합'

'궁극의 미래 에너지원'이라고 불리는 핵융합. 너무 거창한 명칭이라고요? 절대 과장이 아닙니다.

핵융합의 주원료는 중수소와 리튬입니다. 모두 바닷물에서 얻을 수 있는 물질입니다. 사실상 연료가 무한한 셈이죠.

연료 효율도 지금까지의 발전 방식과 차원이 다릅니다. 수소 1g이 핵융합했을 때 나오는 에너지는 석탄 21톤, 석유 만2천리터의 에너지와 비슷합니다.

게다가 원자력 발전처럼 발전 과정에서 고준위 방사성 폐기물도 나오지 않습니다. 또 발전 방식 상 대형사고 가능성도 희박합니다. 이쯤 되면 '궁극의 미래 에너지원'이라는 말, 과장이 아니겠죠?

핵융합이란? 지상에 내려온 태양

그럼 대체 핵융합은 뭘까요. 한 마디로 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 현상입니다. 이 과정에서 원자핵의 질량이 줄어드는데, 줄어든 질량만큼 에너지가 생깁니다.

우리 주변에서 핵융합이 가장 활발하게 일어나는 곳은 바로 태양입니다. 태양의 중심에서 활발히 일어나는 핵융합이 지구에 빛과 열 등 에너지를 공급해줘 생태계가 유지될 수 있는 겁니다.

하지만 지구에서 핵융합 반응을 일으키려면 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어줘야 합니다. 핵융합 실험로를 '인공태양'으로 부르는 이유입니다.

하지만 인공태양을 만들고 유지하는 일은 매우 까다롭습니다. 선진국들이 달라붙어 연구하고 있지만 2035년은 돼야 본격적인 발전이 시작될 것으로 예상합니다.


▲ KSTAR 소개 영상, 영상제공 : 국가핵융합연구소

세계 최고의 핵융합 실험로 KSTAR

그런데 세계 최고 수준의 핵융합 실험로가 우리나라에 있다는 것 아시나요? 대전시 유성구 국가 핵융합연구소에 있는 'KSTAR'가 그 주인공입니다.

KSTAR는 1995년부터 12년에 걸쳐 국내 기술로 만들어진 초전도 핵융합 연구장치입니다. 2008년에 처음으로 작동을 시작해 이제 운영 연차 10년을 막 넘겼습니다.

사실 우리나라는 선진국보다 수십 년 늦게 핵융합 연구에 뛰어든 후발주자입니다. 하지만 한국은 지금 당당히 세계적인 핵융합 주도국 반열에 올라 있습니다. 이게 모두 KSTAR 덕분입니다. 10년여 동안 세계 핵융합 연구사에 굵직굵직한 발자취를 남긴 KSTAR의 파란만장한 인생사를 살펴보겠습니다.

세계 최초, 또 세계 최초.. 핵융합 역사 새로 쓰는 KSTAR

핵융합이 일어날 때 온도는 수천만 도까지 올라갑니다. 이 온도에서 물질은 고체·액체·기체를 넘어선 제4의 상태인 '플라즈마' 가 됩니다. 모든 것을 녹일 정도로 고온인 플라즈마를 일반 용기에 담을 수가 없는데요. 그래서 자기장으로 플라즈마를 띄워 가두는 '토카막'이라는 장치가 개발됐습니다. KSTAR도 토카막 방식으로 만들어졌습니다.

토카막 핵융합 장치의 핵심은 더 높은 온도의 플라즈마를 자기장 안에 잘 가둬 오래 유지하는 겁니다. 그리고 이 방면에서 KSTAR의 기술력은 세계 최고 수준입니다.

2010년 KSTAR는 초전도 토카막 장치로서는 세계 최초로 '고성능 플라즈마 운전(H-모드)'을 달성했습니다. H-모드는 핵융합 반응이 매우 잘 일어날 수 있는 고성능의 플라즈마가 자기장에 잘 가둬져 열이 빠져나가지 않고 안정적으로 유지되는 상태입니다. H-모드에서 플라즈마의 성능은 약 2배 이상 증가합니다.

게다가 2016년에는 H-모드를 70초 동안 지속하는 데 성공했습니다. 당시 초전도 토카막의 세계 최장 운전 기록입니다. 고성능 플라즈마 운전을 1분 넘게 유지한 것도 처음이었습니다. 지난해에는 H-모드 운전을 연속 약 90초까지 지속하는 데까지 이르렀습니다.

핵융합 최고 난제까지 해결.. 세계가 주목하는 KSTAR

핵융합 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM). 토카막 내부 플라즈마 경계의 큰 압력 변화로 플라즈마 가장자리가 불안정해지는 현상입니다. 열 손실을 일으키는 데다 장치 내벽에 손상을 줘 핵융합 상용화를 위해 반드시 해결해야 하는 난제로 꼽혀왔습니다.

이 난제를 푼 것이 바로 KSTAR입니다. KSTAR는 2011년 세계 최초로 ELM을 완벽 억제하는 데 성공했습니다. 2017년에는 34초간 ELM 억제를 지속하는 데 성공해 7개국이 공동으로 건설 중인 'ITER'(국제핵융합실험로)의 초기 운전 시나리오를 최초로 구현했습니다.

ELM의 억제 조건을 예측하는 이론을 정립하고 처음으로 실험으로 검증한 곳도 KSTAR입니다. 지금까지 ELM 억제에 대한 여러 이론 모델들이 나왔지만, 실제 실험으로 검증된 것은 KSTAR에서 개발된 모델이 유일합니다. 이 같은 연구 성과는 과학 분야의 최고 권위 국제학술지인 ‘네이쳐 물리학(Nature Physics)’에 게재됐습니다.

플라즈마 이온온도 1억도 달성.. 세계 선도하는 한국 핵융합

지난해 KSTAR는 초전도 토카막장치 중 세계 최초로 플라즈마 이온온도 1억 도를 달성했습니다. 태양 중심 온도의 7배에 달하는 온도입니다. 플라즈마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 적용한 결과였습니다. 이 성과로 초고온 고성능 플라즈마 운전 연구를 시작하게 된 KSTAR는 올해 중성입자 빔 가열장치를 추가로 도입해 1억도 이상의 플라즈마를 10초 이상 유지하는 목표를 가지고 있습니다.

이렇다 보니 KSTAR의 국제적인 위상은 상상 이상입니다. 선진국들의 핵융합 프로젝트 ITER의 베르나 비고(Bernard Bigot) 사무총장이 “KSTAR는 핵융합에너지 개발에 있어 값진 기여를 할 수 있는 세계에 몇 개 안 되는 시설 중 하나로 KSTAR의 성공은 ITER의 성공과 밀접한 관련이 있다”면서 “KSTAR는 그동안 ITER에서 진행될 연구에 대한 지식과 실험 데이터 생산에 크게 기여해왔다”라고 감사의 인사를 할 정도입니다.

KSTAR의 활약으로 친환경 에너지를 무한대로 쓸 수 있는 세상. 아주 먼 미래의 이야기만은 아닐 것 같습니다.