대한민국에 인공태양이 떴다: KSTAR, 핵융합발전 초석을 놓다 : 과학향기 Story : KISTI의 과학향기

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대한민국에 인공태양이 떴다: KSTAR, 핵융합발전 초석을 놓다

2019년 03월 20일

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“나무 한 잎 피우려고

잠든 꽃잎의 눈꺼풀 깨우려고

지상에 내려오는 햇빛들”

권대웅(햇빛이 말을 걸다 중)

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태양은 생명의 근원이다.

따뜻한 열과 밝은 빛으로

생태계의 시작을 알린다.

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그런데 우리나라에도 인공태양이 있다.

국가핵융합연구소에서 무려 10년 넘게 실험 중인

KSTAR가 그것이다.

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태양이 엄청난 에너지를 발산할 수 있는 것은

내부에서 핵융합 반응을 일으키기 때문이다.

인공태양이라 불리는 KSTAR 역시

태양처럼 핵융합 반응을 발생시켜

어마어마한 에너지를 얻을 수 있다.

핵융합=가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 과정. 이 과정에서 줄어든 질량은 에너지로 변환된다.

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핵융합 에너지는

그 원료(중수소, 삼중수소)를 구하기 쉽고 폐기물이 적어

미래의 청정에너지원으로 주목받고 있다.

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문제는 중력.

엄청난 중력을 가진 태양은

그 힘을 바탕으로 핵융합 반응이 저절로 일어나지만

태양보다 중력이 훨씬 작은 지구에서 이는

불가능한일이다.

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때문에 인공적인 핵융합을 위해서는

태양 중심 온도(1500만℃)보다 훨씬 높은

1억℃ 이상 플라즈마를 장시간 유지할 수 있어야 한다.

플라즈마(Plasma)=원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직일 수 있는 상태

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이를 위해서 필요한 것이 핵융합장치 토카막(Tokamak)이다.

도넛과 비슷하게 생긴 토카막은 자기장을 이용해

초고온의 플라즈마를 가두고 제어하는 장치다.

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그리고 작년 12월

국내 연구진이 사상 최초로

토카막 장치의 이온온도 1억℃를 달성하여

핵융합 발전의 신기원을 열었다.

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물론 이는 10년 동안 이어진 끈기의 결과였다.

국가핵융합연구소는 2008년 6월 첫 플라즈마를 구현하는 데 성공한 이후

약 2만 1750번이나 플라즈마 발생 실험을 거듭하며

그 성능을 올리기 위해 노력해 왔다.

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특히 이번 쾌거에는 2010년부터 도입된

고성능플라즈마 운전(H-모드)가 기술적인 바탕이 됐다.

이는 토카막 형 핵융합장치를 운전할 때

특정 조건 하에서 플라즈마를 가두는 성능이 약 2배로 증가하는 현상을 이용한 것이다.

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점차 기술적 난제를 극복하며 H-모드 시간을 늘려오던 KSTAR는

작년 88초까지 H-모드를 운전하는 데 성공했고,

이를 바탕으로 1.5초 동안 1억℃ 이상의 초고온 플라즈마를 유지할 수 있었다.

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국가핵융합연구소는 향후 내부수송장벽, 중성입자빔 가열장치 등

새로운 기술을 대거 도입해 1억℃ 이상 초고온 플라즈마 10초 이상 유지에 도전할 계획이다.

ITB(Internal Transport Barrier)=플라즈마 외부뿐 아니라 내부에도 장벽을 형성, 밀폐 성능을 더욱 높인 신개념 기술

NBI(Neutral Beam Injection) 가속된 중성자를 플라즈마에 충돌시켜 온도를 급격히 높여주는 해주는 가열장치

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KSTAR의 최종 목표는 플라즈마 발생시간 300초, 온도 3억℃를 달성하는 것이다.

아무쪼록 이번 쾌거가 자원 부족과 환경오염의 전 세계적인 대안이 될

핵융합발전의 주춧돌이 되기를 기대한다.

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