한국 핵융합 연구의 상징(KSTAR)

● KSTAR(한국의 독자 개발 핵융합 연구)

KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)은 대한민국이 독자적으로 개발한 핵융합 연구로, 1995년에 개발이 시작되어 2007년에 완료되었다.

위치: 대전광역시 유성구 한국핵융합에너지연구원 내에 위치

특징:

• 도넛형 토카막(Tokamak)형 핵융합 실험로
• 지름 10m, 높이 6m의 거대한 구조
• 4,000억 원의 예산 투입
• 콘크리트 벽 두께는 1.5m로, 시멘트로 아파트 3000가구를 지을 수 있는 수준의 강도를 갖춤

●  KSTAR의 역사(가열장치 개발과 성과)

2007년 7월 12일, 한국원자력연구소 곽종구 박사팀은 세계 최초로 300초 이상의 고주파를 낼 수 있는 메가헤르츠(MHz) 대역의 전자기파 가열장치를 개발한 것을 발표했다. 이 가열장치는 전자레인지와 유사한 개념으로 작동한다. 메가헤르츠(MHz) 대역의 전자기파를 사용하여 플라스마 이온을 공명시켜 플라스마의 온도를 섭씨 1억 도까지 올릴 수 있다.

이러한 연구는 2009년 11월 18일에도 계속되어, 실험운전을 통해 플라즈마 전류 320kA, flattop 1.4초, 유지 시간 3.6초를 달성하였다. 이는 KSTAR가 핵융합 연구 분야에서 상당한 성과를 이뤘음을 보여주는 바이다.

• ITER: 한국, 미국, 유럽, 러시아, 일본, 중국, 인도가 2015년까지 60억 유로를 투자하여 개발하는 국제핵융합실험 장치입니다. ITER은 열출력 규모가 500MW로, 한국의 표준 원전의 6분의 1 규모에 해당합니다.
• KSTAR: 대한민국이 독자적으로 개발한 핵융합 연구로, ITER와 기본 개념 설계가 유사합니다. 그러나 KSTAR는 ITER의 25분의 1 정도의 크기를 가지고 있습니다.

대한민국 정부는 KSTAR 프로젝트에 최대 규모인 3천억 원을 투입하여 연구를 지원하고 있다.

 

2019년 2월 13일, 한국핵융합에너지연구원은 세계 최초로 이온 온도 1억도(9kev) 이상을 유지한 초고온 고성능 플라즈마를 실현했다. 유지 시간은 1.5초였다. 추가로, 2019년에 중성입자 빔 가열장치 2호기를 도입하여 초고온 플라즈마를 세계 최초로 10초 이상 안정적으로 유지하려고 노력했다.

2021년 11월 22일에는 이온 온도 1억도 초고온 플라즈마를 30초간 유지하는 데에 성공하여, 초고온 플라즈마의 장시간 운전 기록을 경신했다.

그리고 2024년 3월 20일에는 KSTAR의 내벽 부품을 교체한 이후 처음 진행된 플라즈마 실험에서 1억도 초고온 플라즈마를 48초까지 연장 운전하고, 고성능 플라즈마 운전모드(H-모드)를 102초 운전하는 데 성공했다.

 

●  핵융합 발전의 원리

핵융합 발전은 태양이 태양과 같은 원리를 활용한다. 태양은 수소와 헬륨의 핵융합 반응을 통해 엄청난 열과 빛의 에너지를 생성한다. 이 과정에서는 수소 원자 4개가 합쳐져 1개의 헬륨이 생성되며, 초당 7억t의 수소가 헬륨으로 변환된다. 이러한 과정에서 태양은 질량 결손에 의해 초당 4조W의 엄청난 양의 에너지를 방출한다.

핵융합 발전은 이러한 태양의 핵융합 반응 원리를 지구상에서 모방하여 수소 원자핵이 핵융합하여 헬륨이 생성되는 과정에서 발생하는 열과 에너지를 활용한다. 이것은 지구에 무한한 에너지 공급을 제공할 수 있는 대안적이고 지속 가능한 에너지원으로 간주한다.

핵분열과 핵융합 반응은 모두 아인슈타인의 E=mc² 공식에 따라 동작한다. 이 공식은 질량과 에너지 간의 등가성을 나타낸다. 핵분열에서는 원자핵이 분열되어 더 작은 원자핵으로 분해되면서 일부 질량이 소멸하고, 그에 상응하는 에너지가 방출된다. 핵융합에서는 반대로 작은 원자핵이 결합하여 더 큰 원자핵으로 합쳐지는 과정에서 질량이 소멸하고 에너지가 방출된다. 따라서 핵분열과 핵융합은 질량과 에너지 간의 등가성 원리를 따라 움직이며, 이것이 핵에너지를 생성하는 핵발전의 원리다.

1. 핵분열 발전소: 한국의 4곳의 핵분열 원자력 발전소는 연간 750톤의 농축 우라늄과 천연 우라늄을 사용하여 전기를 생산한다. 이 과정에서 750톤의 우라늄이 에너지로 변환된다. 이때 질량의 손실을 아인슈타인의 E=mc² 공식에 따라 계산하면, 연간 약 5kg의 우라늄이 질량으로부터 소멸한다. 이 소멸한 질량이 전기 에너지로 변환되어 발전소에서 생산된 전기를 제공한다.
2. 핵융합 발전소: 핵융합 발전소의 연료로는 중수소와 삼중수소가 사용된다. 중수소와 삼중수소는 특수 전기장치를 이용하여 섭씨 1억 도까지 올려지면, 전자가 분리되고 이온화된 다량의 원자핵과 전자가 고밀도로 몰려 있는 플라스마 상태가 된다. 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소가 서로 충돌하면 중성자와 헬륨이 생성된다. 이 과정에서 생성된 중성자와 헬륨의 질량 합은 충돌 전의 중수소와 삼중수소의 질량 합보다 작아지는데, 이 질량의 차이가 에너지로 변환된다. 따라서 핵융합 발전소에서도 질량과 에너지 간의 등가성 원리에 따라 에너지가 생산되는 것을 알 수 있다.

KSTAR 핵융합로는 가정에서 사용하는 전자레인지와 비슷하다. 전자레인지 안에는 중수소라는 요리를 넣고, 300초 이상 마이크로파를 쏘아 가열한다. 이렇게 하면 전자레인지 안의 온도가 3억 도까지 올라가며, 이 온도에 도달하면 중수소가 스스로 무게를 줄여가면서 그에 상응하는 방대한 빛과 열에너지를 방출하기 시작한다. 이 열에너지를 외부로 뽑아내어 물을 끓여서 발전기 터빈을 돌려 전기를 생산한다.

전자렌지가 중수소를 가열하는 데 소모되는 전기 에너지는 1W에 불과하지만, 3억 도의 온도가 된 중수소가 방출하는 에너지로 생산되는 전기 에너지는 1억W에서 1조W까지에 이른다. 한국원자력연구소의 오병훈 박사는 2005년 7월 13일에 "핵융합 발전이 상용화되려면 투입된 에너지보다 생산된 에너지가 20배 이상 많아야 하는데 현재는 같은 수준"이라고 말했다.

3억 도의 온도가 되어도 전자레인지가 녹거나 폭발하지 않게 하는 기술, 그리고 중수소가 너무 갑자기 에너지를 방출하지 않고 그 발생하는 에너지를 통제할 수 있는 기술 등 여러 가지 최첨단 기술이 필요하다.

 

●  최첨단 기술

1. 플라즈마 제어 기술: 핵융합로 내부에서 발생하는 플라즈마를 안정적으로 제어하는 기술이 필요하다. 플라즈마는 높은 온도와 압력에서 발생하기 때문에 제어가 어렵다. 고급 제어 시스템과 자기장을 이용한 플라즈마 안정화 기술 등이 필요하다.
2. 열 절연 기술: 핵융합로 내부의 고온 플라즈마는 주변 환경에 높은 열을 방출한다. 따라서 이를 효율적으로 절연하고, 핵융합로 외부 장치를 보호하는 열 절연 기술이 필요하다.
3. 냉각 시스템: 핵융합로 내부를 냉각하는 시스템이 필요하다. 높은 온도에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하여 핵융합로의 안전성을 유지해야 한다.
4. 플라즈마 진단 기술: 핵융합로 내부의 플라즈마 상태를 정확하게 진단하는 기술이 필요하다. 이를 통해 플라즈마의 온도, 밀도, 플라즈마 흐름 등을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
5. 제어 시스템: 핵융합로의 운전과 안전을 관리하기 위한 고급 제어 시스템이 필요하다. 이를 통해 핵융합로의 작동을 안정적으로 유지하고, 예상치 못한 문제에 대처할 수 있다.

이러한 최첨단 기술들이 발전함에 따라 핵융합 발전이 상용화될 가능성이 점차 커지고 있다.