한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구본부 고원하 책임연구원:

탄소제로 시대를 위한 희망, 핵융합에너지

한국의 인공 태양 KSTAR

(제공. 한국핵융합에너지연구원)

기후 위기의 시대, 탄소 배출 없이 대용량 발전이 가능한 에너지원으로 핵융합에너지에 관한 관심이 뜨겁다. 이미 해외에서는 수많은 민간 스타트업이 거대 자본의 지원을 받아 연구 개발에 매진하고 있으며 국내에서도 최근 첫 핵융합 스타트업이 탄생하였다. 

핵융합에너지란 태양의 에너지 발생 원리인 핵융합 반응으로 만들어내는 에너지를 말한다. 핵융합 반응이 일어나는 고온의 플라즈마를 오랜 시간 가두고, 유지하며 이를 효율적으로 제어하는 것이 핵심으로 이를 위하여 초전도자석의 강한 자기장을 이용한다. 핵융합 연구의 불모지였던 우리나라는 초전도 자석을 활용한 핵융합 연구 장치인 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 건설을 시작으로 본격적인 핵융합 연구를 시작하였다. 1995년에 설계를 시작하여 2007년 완공되었으며 2008년 단숨에 최초의 플라즈마를 만드는 데 성공한 것은 지금까지도 회자되는 놀라운 기록이다. 

KSTAR는 최대 3.5 테슬라의 자기장 세기를 가지며, 주 반경 1.8m, 부 반경 0.5m를 가진 세계에서 가장 작은 오차 자기장을 갖는 핵융합 연구 장치이다. 이 작은 오차 자기장은 초고온 플라즈마를 장시간 동안 안정적으로 제어할 수 있는 중요한 요소 중 하나로 이를 바탕으로 매년 우수한 연구 성과들이 발표되고 있다. 지난 16년간 KSTAR 장치는 큰 고장 없이 매년 안정적으로 실험을 수행해 왔으며 올해에는 17번째 실험 캠페인이 진행되고 있다.

핵융합 발전

(KSTAR 진공 용기 사진. 제공.한국핵융합에너지연구원)

최종적으로 핵융합 반응을 통해 전력을 생산하기 위해서는 외부에서 추가하는 가열 에너지 없이 핵융합 반응이 일어나는 ‘점화 조건’에 도달해야 한다. 영국의 물리학자 Lawson의 이름을 딴 이 조건식을 달성하기 위해서는 우선 원자핵 간의 전기적 반발력을 능가하는 1억도 이상의 초고온 플라즈마가 필요하다. 여기에 어떠한 에너지 추가 없이 일정하게 유지되는 1.5초 이상의 가둠 시간과 핵융합을 일으킬 이온의 개수가 단위 제곱미터 당 일정한 개수 이상, 즉 대기압의 30만분의 1 이상의 이온 밀도에 도달해야 한다. 이처럼 핵융합 발전을 위해서는 1억도 이상의 이온 온도를 가진 초고온·고밀도 플라즈마를 만들고 일정한 시간 이상 유지하는 기술이 매우 중요한 것이다. 

KSTAR는 초고온 플라즈마의 장시간 유지를 위해 가열장치 성능 향상과 지속적인 연구를 통해 괄목할 만한 성과를 이루어냈다. 2018년에 이온온도 1억도 이상의 초고온 플라즈마 획득, 2019년에는 1억도 플라즈마를 8초간 유지, 형상 제어 변경으로 2020년에는 20초, 중심에서 벗어난 off-axis 가열 기반으로 2021년에는 30초, 최적 자기장을 포함한 플라즈마 제어 개선으로 2023년에는 48초간 유지하는 신기록을 세웠다.

1억도 초고온 플라즈마

KSTAR에서 고성능 플라즈마를 만드는 방법은 크게 두 가지 접근법이 있다. 하나는 널리 사용되는 H-모드이고, 다른 하나는 내부수송장벽 방식이다.

먼저, H-모드는 플라즈마 가장자리에 에너지 수송장벽(ETB)을 만들어 에너지를 가두는 방식이다. 이 방식은 일반 플라즈마보다 2배 이상 좋은 에너지 가둠 효율을 보여주지만, 한 가지 큰 단점이 있다. 바로 ELM(Edge Localized Mode)이라는 불안정 현상이다. ELM은 에너지 수송장벽이 주기적으로 무너지면서 고에너지 입자들이 한꺼번에 방출되는 현상으로, 장치 내벽을 손상하고 플라즈마 온도를 급격히 떨어뜨린다. 현재 대부분의 핵융합 연구가 이 H-모드를 기반으로 하고 있어, KSTAR에서도 기계학습을 활용해 ELM을 제어하는 연구를 적극적으로 진행하고 있다.

반면, 내부수송장벽(ITB)을 만드는 방식은 H-모드보다 에너지 가둠 효율이 조금 낮지만, 위험한 ELM 현상이 발생하지 않고 불순물 유입을 더 잘 막아준다는 장점이 있다. KSTAR 연구진은 이 방식을 활용해 1억도 플라즈마 생성에 성공했고, 서울대 등 여러 연구기관과 함께 이를 심도 있게 분석했다. 그 결과 ELM도 없고 H-모드보다도 성능이 뛰어난 새로운 운전 모드를 발견할 수 있었다. 이 새로운 모드는 높은 고속 이온 밀도가 플라즈마 성능 향상의 핵심 요인임이 밝혀져 'FIRE 모드'로 명명되었고, 2022년 9월 세계적 과학 저널 Nature에 게재되는 성과를 거두었다.

KSTAR 미래

KSTAR는 단계적으로 가열과 전류 구동 장치의 성능을 향상하고, 운전 시간 확보를 위한 전원장치 개선, 텅스텐 내벽 설치를 통한 온도 제어, 향상된 실시간 피드백제어 기술 등을 통해 장시간 운전에 필요한 핵심기술을 확보할 계획이다. 이를 통해 미래 핵융합로 운전을 위한 운전 시나리오를 확보하는 것이 궁극적인 목표이다. 

최근 KSTAR를 포함한 많은 핵융합 연구는 기존 실험에서 얻어진 데이터를 학습하여 실시간으로 불안정성을 예측하여 제어하는 등 AI를 접목한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 기술들은 물리학과 핵공학을 바탕으로 컴퓨터 공학에 능통한 연구자들이 주도적으로 연구하는 분야이다. 핵융합에너지 시대를 앞당기기 위해서는 이러한 융합형 인재의 양성과 확보가 그 어느 때보다 시급한 과제이다. 우수한 핵융합 인재의 양성과 확보를 위하여 더 많은 지원과 투자가 확대되길 기대하며, 오늘도 KSTAR의 연구진들은 핵융합 난제 해결을 위하여 끊임없는 도전을 이어가고 있다.