■ KSTAR, 1억도 초고온 30초간 유지 성공

■ KSTAR, 1억도 초고온 30초간 유지 성공

 

★ 한국핵융합에너지연구원이 개발한 핵융합연구장치인 ‘KSTAR’가 1억도의 초고온을 30초간 유지하는 데 성공했다. 한국은 세계 최초로 2018년 1억도의 온도를 맞추는 데 성공했고, 2020년 20초 유지했으며, 2021년에도 세계 최장 시간 30초 유지 기록을 세웠다. 2026년에는 1억도 초고온을 300초간 유지할 계획이다. 300초 연속 운전은 핵융합 발전 상용화의 문턱이며, 핵융합 상용화의 기틀을 마련할 수 있는 온도이다. 2040년대에 최초로 발전소 건설 및 상용화에 들어간다는 계획이다.

 

★ 2021년 30초 달성 성과는 ‘내부 수송 장벽(ITB)’이라는 기술을 활용한 때문이라고 밝혔다. 융합로 내부에 플라즈마로 장벽을 쌓아 고온을 최대한 유지한 것이다. 연구진은 앞으로 헬륨 같은 불순물을 핵융합로 외부로 배출하는 장치인 텅스턴 재질의 ‘디버터’(Diverter)를 설치하여 설비를 보호할 예정이다.

 

★ 핵융합 발전은 사실상 무한대인 바닷물에서 뽑아내는 중수소. 리튬을 주원료로 쓰는 데다 고준위 방사성 폐기물이 나오지 않는다. 특히 만들 수 있는 에너지량이 매우 큰데, 연료 1g의 힘이 석유 8t과 맞먹는다.

 

★ 태양에서는 수소가 높은 압력과 1천 500만도의 열에 의해 합쳐지면서 헬륨으로 변하고, 이 과정에서 엄청난 열에너지가 방출된다. 그러나, 지구에선 높은 압력의 재현이 불가능하여 그만큼 더 높은 온도인 1억도 이상을 유지해야 수소 원소가 합쳐지는 핵융합 반응이 일어난다.

 

● 1억도를 어떻게 올리지? : ★ KSATR는 완전 초전도 토카막 장치 (초전도 자석으로 초고온 플라즈마를 가두는 밀폐 용기) 방식이다. 1억도의 불꽃을 가둘 수 있는 물질은 이 세상에 없다. 그래서, 초전도 자석으로 자기장을 발생시킨 후, 자기장을 이용하여 불꽃을 공중에 띄워 놓는다는 얘기이다. 온도는 중성 입자빔 가열 장치를 사용한다. 이온 입자를 높은 에너지로 가속시켜서 열을 내고, 이를 플라즈마 내부로 전달하는 방식입니다. 그래서, 모양이 가운데가 뻥 뚫려 있는 도너츠 모양이다. ★ 또 다른 방식으로는 꽈배기처럼 빌빌 꼬여 있는 스켈러레이터 장치 방식이 있다. 토카막 장치는 강력한 자기장의 힘으로 플라즈마 용기의 양쪽을 밀봉하는 데, 양쪽 끝의 자기장의 손실이 크다는 단점이 있다. 하지만, 스켈러레이터 장치는 자기장을 꼬아서 플라즈마 입자가 도넛 모양 트로이드의 안쪽과 바깥쪽을 오가면서 회전하게 되므로, 이탈률을 더 낮출 수 있다. 즉 자기장을 일일이 제어하지 않고서도 플라즈마를 가둘 수 있다는 얘기이다. 다른 나라들은 1억도 유지 시간이 7-8초에 불과하다. 우리나라는 기본적으로 초전도 자석 등의 성능이 매우 뛰어나서 2026년까지 300초 이상 유지 목표를 달성할 수 있을 것이다.

 

● 1억도를 견디는 물질은? : 지표면을 녹이고 흐르는 마그마의 온도는 섭씨 1,200도, 강철을 녹이는 용광로의 내부 온도도 1,500도 남짓에 불과하다. 그렇다면 1억도가 넘는 핵융합로의 내부는 어떤 물질로 이뤄져 있을까? KSTAR의 경우, 불꽃이 공중에 떠있기 때문에 융합로 시설이 직접 닿지는 않는다. 그래도 내부 시설물이 견뎌야 할 온도는 수천도를 훌쩍 넘는다. 지구상에서 가장 높은 녹는 점을 가진 원소는 탄소로 약 3,642도까지 견딜 수 있다.

 

이에 따라 현재 KTSAR 내부에는 탄소로 만들어진 디버터(Diverter)가 장착되어 설비를 보호했었다. 그러나, 탄소의 경우, 사용이 누적될 경우, 핵융합로의 연료 격인 중수소와 결합돼 메탄 불순물로 전환된다는 단점이 있다. 촛불처럼 그을음이 발생한다는 얘기이다. 이에 최근 대안으로 떠오른 것이 텅스텐이다. 텅스텐은 녹는점은 탄소보다 다소 낮은 3,422도지만 금속 원소 중에서는 가장 높다. 또 초고온에서 플라즈마로부터 쏘아져 나오는 중성자에 의한 손상이 적고, 침식 저항성이 높으며, 낮은 방사화 등의 장점을 갖고 있다. 이에 따라 이미 세계의 여러 핵융합 장치에서 선택받은 상태이다. 우리나라 등 7개국이 건설 중인 국제핵융합로(ITER)도 일부를 텅스텐으로 채택했고, 독일의 핵융합장치 ASDEX-업그레이드, 중국의 EAST 등도 마찬가지이다. 한국의 KSTAR도 현재 탄소 디버터 대신 텅스텐 디버터(Diverter)로 교체 중이다.

 

텅스텐은 스웨덴어로 '무거운 돌'이라는 뜻이며, 기존에도 우수한 내열성. 적은 열팽창. 낮은 증기압 등의 장점에다 인장 강도가 가장 높은 원소로 여러 곳에 쓰이고 있다. 백열 전구의 필라멘트가 텅스텐 소재이다. 다른 금속과 섞으면 엄청난 강도를 나타내어 연마제, 드릴 등 절단기 재료는 물론 초고온. 초고압을 견뎌야 하는 로켓. 미사일의 엔진 노즐, 방사선 차폐제 등에 쓰인다. 탱크나 대포, 미사일 등 군사용으로도 많이 사용하며, 각국은 텅스텐을 전략 물자로 분류하여 수출 및 사용을 제한하고 있다.