한국의 인공태양(KSTAR) 운영 현황

한국의 인공태양(KSTAR) 운영 현황

국가핵융합연구소(National Fusion Research Institute) 1. 서 론 19세기 영국의 과학자 돌턴은 여러 가지 실험 사실을 설명하기 위해 물질의 가장 작은 입자인 원자의 존재를 가정하였다. 1803년에 ‘모든 물질은 더 이상 쪼개지지 않는 입자, 즉 원자로 이루어져 있다’는 원자설을 제안하였 다. 그러나 1896년 베크럴은 우라늄에서 방 사선이 방출된다는 것을 발견하였으며, 이는 원자가 더 작은 알갱이로 쪼개질 수 있다는 것을 의미했다. 이후 세계의 수 많은 과학자 들의 연구를 통해 새로운 원자를 만들 수도, 원자를 쪼갤 수도 있게 되었다. 핵융합은 원 자를 연구하는 과정에서 아인슈타인의 특수상 대성 이론에 의해 밝혀진 질량-에너지 등가의 원리(E = mc2_{)에 기반을 둔다. 이는 원자핵} 으로의 방사능 에너지나 소립자의 생성·소멸 과 관련된 법칙으로, 핵에너지(핵분열·핵융 합)나 태양의 에너지를 이해하는 기초가 된 다. 영국의 물리학자 프랜시스 애스턴은 헬륨 원자의 질량이 수소 원자 네 개의 질량보다 약간 작음을 밝혔다. 이를 바탕으로 영국의 아서 에딩턴은 1920년 ‘과학 진보를 위한 영 국 연합회의’에서 “네 개의 수소가 결합해 헬 륨 하나를 만든다면, 항성(별)에서 질량이 에 너지로 바뀔 수 있을 것”이라고 예견했다. 실 제로 이후 양자역학이 발전하면서 태양과 같 은 별의 에너지원이 핵융합이라는 사실이 밝 혀졌다. 우리나라 정부는 꿈의 에너지원이라 생각 되는 핵융합 에너지 개발을 1995년 선언하였 으며, 한국형 핵융합장치인 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)를 초전도 물질을 활용하여 건설 할 계획을 발표하였다. 이러한 우리나라 정부 의 핵융합장치 건설 계획에 세계의 많은 전문 가들의 큰 의구심과 국내 연구자들로부터 부 정적인 시각이 많았으나, 2007년 9월 ‘한국 의 인공태양’이라 불리는 KSTAR 장치 건설 을 성공적으로 완료하게 되었다. 이와 함께 2008년 KSTAR 장치는 세계 최초로 단 한 번의 시운전 그리고 최초 플라즈마 발생 실험 까지 성공하였다. 이후 KSTAR 장치는 매년 핵융합 연구를 수행하기 위해 운영되었으며, 최근 세계 핵융합 연구를 이끌수 있는 위치까 지 오르게 되었다. 현재 프랑스 카다라쉬에 건설되고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 공 동개발사업에서 KSTAR 건설에 참여한 전문 연구 인력들이 중추적 역활을하고 있으며, 국 내 산업체들은 축적된 역량을 바탕으로 ITER국제기구 및 타 회원국으로부터 3억불 이상의 수주를 달성하였다. KSTAR 장치의 건설, 그리고 장시간 운영 과정에서 수많은 난제를 확인하였으며, 이를 극복하기 위해 우리의 핵융합 에너지 기술은 지금도 많은 핵융합 전문 연구자, 대학교 및 국내 산업체들의 협력을 통해 발전하고 있다.

그림 1. KSTAR Front view in the main hall. (2020.06.03)

2. KSTAR 장치의 이해

토카막이란 1950년대 초 구소련의 물리학 자 Tamm과 Sakharov에 의해 제안된 것으 로서 초창기의 토카막 실험은 구소련

Moscow의 I.V. Kurchatov 연구소에서 시 행되었다. 토카막 (Tokamak)은 러시아어의 ‘toroiidalonaya (toroidal)’, ‘kamera (chamber)’, ‘magnitnykh (magnet)’, ‘Katushkah (coil)’ 의 네 단어의 합성으로, 전자석 코일을 이용한 토러스형 용기라는 뜻 을 함축하고 있다.

그림 2. (A) 3D image of KSTAR, (B) A brid’s eye view of the in-vessel components (C) Cross section of the KSTAR (D) KSTAR device before the final assembly.

토카막 장치는 3개의 기본적인 시스템으로 구성한다. 첫번째는 플라즈마를 담는 그릇인 토러스가 있다. 이 토러스는 통상 진공 용기 라고도 하며 주변에 핵융합 연료(중수소, 삼 중수소)를 주입하는 연료 주입 장치, 발생된 플라즈마를 높은 온도로 가열하는 플라즈마 가열 장치, 그리고 플라즈마의 전류 세기, 플 라즈마의 물리적 위치, 온도, 압력 등을 측정 하는 플라즈마 진단 장치 등이 설치된다. 두 번째는 1차측인 변압기-마그넷이다. 이것은 초기 순간적인 전류 변화를 통해 2차측 토러 스에 루프 전압을 유기한다. 유기된 루프 전 압은 핵융합 연료 기체를 방전시켜, 토러스 내에 플라즈마 전류를 형성한다. 또한 플라즈 마 전류의 유지를 위해 루프 전압을 지속적으 로 제공하는 역할도 한다. 세번째는 토러스를 감싸고 있는 토로이달 마그넷으로 플라즈마를 구속하기 위한 강력한 토로이달 자기장을 제 공한다. 결국 토러스 내에서는 플라즈마 전류 에 의해 생기는 폴로이달 자기장과 토로이달 방향의 자기장이 중첩되어 나선상의 자력선을 형성한다. KSTAR 주장치는 높이 9.6 m, 직경 9.4 m, 중량 1,000 ton 규모이며, 플라즈마 전 류 2.0 MA와 토로이달 자기장 3.5 T로 최 대 동작 시간 300초의 준-정상상태 운전을 목표로 한다. KSTAR 주장치는 약 1억도의 초고온 플라즈마를 가둬두는 도너츠형 진공 용기와 ~ 8.0 T의 고자기장 망을 형성하는 30개의 대형 초전도 마그넷 (16개 TF &14 개 PF 마그넷)으로 구성되어 있다. 진공 용기 내부에 장시간 동안 고온의 플라 즈마를 안정적으로 유지하고 제어하기 위해서 는 고자기장이 필수적으로 요구된다. KSTAR 토카막 장치는 고자기장을 안정적으 로 유지하기 위해 저온초전도체 (Nb3Sn, NbTi) 소재로 모든 자석을 제작하고 저온 용 기 내부에 설치하였다. 저온초전도자석은 액 체 헬륨 온도의 극저온(4.5 K)으로 냉각시켜 야만 전력 손실이 거의 없이 정상 운전이 가 능하다[1].

그림 3. KSTAR TF and PF coil and Busline conductor parameters.

3. KSTAR 장치 운영 KSTAR 장치는 2008년 첫 가동된 이후 매년 캠페인 단위로 운영되어, 핵융합 플라즈 마 연구를 단계적으로 수행하고 있다. KSTAR　캠페인은 상온 진공배기 단계, 초전 도자석 & 구조물 냉각 단계, 초전도자석 시 운전 단계, 플라즈마 실험 단계, 그리고 초전 도자석 승온단계로 구성된다. KSTAR 캠페 인을 수행하기 위해 주요 부대 장치는 6개월 이상 장시간·연속 운전되어야 한다.

상온 진공배기 단계에서는 상온의 진공 용 기(VV, Vacuum vessel)와 저온 용기(CR, Cryostat) 내부의 압력을 (Pvv)≦5.0×10-7 mbar, (Pcr)≦1.0×10-4 mbar 로 유지하기 위해 설치된 진공 배기 시스템을 이용하여 용 기 내부의 분자를 용기 외부로 배출하게 된 다. 불순물 분자들은 플라즈마 발생을 억제시 킬 뿐만 아니라 발생한 플라즈마를 소멸시키 기 때문에, 진공 용기 내부는 고진공 상태를 유지하기 위해 고온베이킹(Max. 250℃) 및 다양한 벽 상태 조절(Wall Conditioning) 기법이 활용된다. 특히 저온 용기 내부는 단 열을 위한 다층막 단열재(표면적 35,000 m2), 저온 용기 외부에 연결된 포트 102개, 용접 밸로우즈 72개, 내부를 관통하는 헬륨 냉각 라인 1,960 m, 용접 개소 5,000여 개 소, 저온 용기 내부 온도 및 응력을 감시하기 위한 신호선(800개소, 1,600 m) 등으로 매 우 취약한 진공 조건을 지니고 있다. 저온 용 기 내부의 분자는 극저온 상태로 냉각되는 초 전도 자석을 비롯한 모든 극저온 냉각 대상물 들을 외부의 상온 전도 열로부터 보호하는 진 공 단열을 유지하는 것이 목적이다. 상온진공 배기 단계에서는 KSTAR 주장치(진공·저온 용기)의 진공환경 조성 및 진공용기 고온베이 킹이 4주간 진행된다.[2]

그림 4. Operation result of the vacuum conditioning in KSTAR at room temperature.

냉각단계에서는 KSTAR 저온용기 내에 설 치되어 있는 초전도자석 및 극저온 냉각 대상 물을 헬륨 공급시스템(9 kW HRS at 4.5

K, Helium Refrigeration System)을 활 용하여 냉각이 진행된다. 이때 저온용기 내부 에 설치된 냉각 대상물의 총 질량은 300여 톤에 달하며, 목표 냉각 온도에 도달하기 위 해서는 액체 헬륨(LHe) 환산 약 18,000 리 터의 양이 필요하다. 저온용기 내에 설치되어 있는 냉각 대상물은 상온에서 극저온 온도까 지 약 3주 기간 동안 냉각 공정이 진행된다.

그림 5. KSTAR cool-down curves during the KSTAR 13th campaign.

KSTAR 저온용기 내부에 설치된 30개의 초전도자석 냉각이 완료된 이후 플라즈마 실 험 환경을 조성하기 위한 마지막 단계로 설치 된 KSTAR 전원 공급시스템을 이용하여, 초 전도자석 시운전이 진행된다. 이 과정에서는 KSTAR 초전도자석 및 전원공급시스템 성능 검증 및 발생되는 자기장 분포를 면밀히 분석 하여, 연구·개발된 KSTAR 플라즈마 시나리 오를 원활하게 운영할 수 있는 최종 검증 시 험이 진행되어 진다. KSTAR 초전도자석 전원공급 장치는 TF 와 PF 전원 장치로 크게 분류된다. TF 전원 장치 부하로 사용되는 초전도자석 인덕턴스는 약 790 mH 값을 가지며, 연속운전을 위한 전원장치 특성으로 수십 volt의 출력 전압과 수십 kA 전류 출력 성능을 필요로 한다. PF 전원 장치는 플라즈마 발생 시나리오 기준으 로 각각의 자석별로 할당되어 PF1 ~ 7까지 총 11대로 구성되어 있으며, 각각의 전원 장 치들은 수백 V ~ kV 출력 전압과 수십 kA 의 출력전류 성능이 요구된다. TF 전원장치의 주요 구성은 직류 전류공 급을 위한 병렬 구성된 16개 단상 인버터

(Inverter), 퀜치 발생시 QDS(Quench Detection System)로부터 신호를 전송받은 후 7초 동안 초전도자석에 충전된 에너지 방 출을 위한 목적으로 제작 설치된 QP(Quench Protector)시스템 및 QPR(Quench Protector Resistor), 운전 종료 시 시정수 360초로 서 서히 초전도 자석에 충전된 에너지를 방전하 기 위한 SDC(Slow Discharge Circuit) 및 SDR(Slow Discharge Resistor)로 구성된 다. 또한, PF 전원 장치는 최대 출력 전류는 20 kA 또는 25 kA급 전원 장치이며, 직류 전류 공급을 위한 thyristor 소자를 이용한 12 phase 운전 방식의 양방향성 convertor, PF 초전도자석의 급격한 자기장 변화를 위한 Blip Resistor Insertion System(BRIS), Quench 발생시 QDS로부터 quench 신호를 전송받은 후 4초 이내에 초전도자석에 충전 된 에너지를 방출하기 위한 목적으로 설치된 QP 및 QPR 등으로 구성되어 있다.

그림 6. Schematic diagram of the KSTAR TF power supply. KSTAR 플라즈마 실험을 수행하기 위해 설치된 KSTAR 주장치 및 주요 부대 장치 의 시운전을 통한 안정성이 확보되면, 60 ~ 90일 간의 실험이 진행된다. 매년 KSTAR 플라즈마 실험 기간 중 60 여개의 주제를 선별·실행하고 있으며, 약 2,000 회 의 플라즈마 발생 실험을 수행하고 있다. 계 획된 플라즈마 실험이 종료되면, KSTAR 주장치에 설치된 초전도자석 및 냉각 대상물 을 극저온에서 상온으로 승온하게 된다. KSTAR 캠페인은 매년 6 ~ 9개월 진행되 며, 그 외 기간은 설치된 KSTAR 주장치 및 부대장치의 유지·보수가 진행되고 있다. 4. KSTAR 플라즈마 실험 결과 핵융합 에너지 발전로(Fusion Reactor, 핵융합로)는 일정 이상의 플라즈마 밀도(n) 와 온도(T), 그리고 플라즈마 가둠 시간(τ) 을 만족할 필요가 있다. 1957년 J.D. Lawson 박사는 열핵융합로의 열출력에 대한 몇 가지 기준(Criterion)을 발표[3]했으며, 우리는 이것을 핵융합로에서 입력 파워와 출 력 파워 간의 관계를 기술하는 “Lawson Criterion” 이라고 부른다. 핵융합로를 위해 서는 입력과 출력이 최소한 같거나 입력보다 출력이 더 많아야 할 것이다. 앞서의 입력과 출력이 같은 상태를 Lawson Criterion의 손익분기(Break-even) 조건이라고 하며, 입 력보다 출력이 훨씬 많은 상태(Eout/Ein→∞) 를 Lawson Criterion의 점화(Ignition) 조 건이라고 한다. Lawson Criterion은 핵융 합로의 손익분기와 점화 조건을 달성하기 위 해 어떠한 핵융합 플라즈마 운전 조건, 특히 플라즈마 밀도(n)와 온도(T), 가둠시간(τ)을 만족해야 하는가를 보여 준다. 예를 들어 핵 융합로의 점화 조건은 연료 중수소 (Deuterium)와 삼중수소(Tritium)을 사용 하는 D-T 핵융합 반응의 경우 n·τ·T ≥ 3 × 1021 _keV·s·m-3 _{이다. 대부분의 현존 핵융합} 에너지 개발 연구 장치들의 연구 결과들의 플 라즈마 운전 조건은 플라즈마 밀도(n)의 경 우 ~1019-1020, 플라즈마 온도(T)의 경우 ~5-10 keV(~5천만도-1억도), 플라즈마 가둠 시간(τ)의 경우 ~0.1-1.0 s 이다. 안 타깝게도 현존 핵융합 에너지 개발 연구 장치 는 Lawson Criterion의 점화 조건을 아직 충분히 만족하지 못하고 있다. 따라서 대부분 의 핵융합 에너지 개발 연구는, 궁극적으로 Lawson Criterion을 만족하기 위해, 어떻 게 하면 핵융합 연구 장치 내에 더욱 많은 플 라즈마 밀도를 더욱 높은 온도로 더욱 오랫동 안 가둘 수 있을까에 대한 연구에 집중하고 있다. KSTAR는 핵융합로 개발을 위해 2008년 첫 플라즈마 운전을 시작으로 KSTAR 장치 의 Fusion Product를 향상하는 연구에 집중 해 왔다. 이를 위해 2010년 Low confinement mode(L-모드) 운전 상태를 벗어나 High Confinement mode(H-모드) 운전 상태를 달성하였다.[4]

H-모드는 고성능 운전 모드 중의 하나이며 L-모드 운전 대비 플라즈마 밀도와 온도, 가 둠 시간이 대략 2배 증가하며, 실시간 형상 제어와 수 MW 급의 플라즈마 외부 가열 주 입을 통해 구현하였다. 그림 7. KSTAR H-모드 플라즈마(#4333) (1.3-2.0초 구간 동안 H-모드 유지. H-모드 구 간 동안 플라즈마 성능의 유의미한 증가를 확인. (d)의 Hα 신호의 스파이크를 통해 ELM 발생하 고 있음을 확인.) H-모드는 아래 그림 8 에서와 같이 플라즈마 경계 영역 부근(0.9<r/a<1.0)에 플라즈마 스 스로 댐과 같은 장벽을 형성한다. 우리는 이 것은 ETB (경계 수송 장벽, Edge Transport Barrier) 혹은 Pedestal 구조라 고 지칭한다. 이와 같은 수송 장벽의 형성으 로 인해 플라즈마 내부에 더 많은 플라즈마 밀도를 더 높은 온도로 더 오래 가둘 수 있는 것이다. 하지만 H-모드는 고온의 플라즈마를 대량으로 플라즈마 형상 내에 오래 가두려고 하기 때문에 필연적으로 플라즈마가 불안정해 지며, 앞서 이야기한 수송 장벽이 붕괴한다. 이때 대량의 에너지(KSTAR 경우 ~101 kJ)를 짧은 시간(KSTAR의 경우 ~10-1-101 ms)동안 주기적(KSTAR의 경 우 ~101_-102 _{Hz)으로 방출한다. 우리는 이}

것을 ELM(Edge Localized Mode)이라고 한다. 그림 8. 플라즈마 반경 분포에서 H-모드 운전 시 경계 영역에 발현하는 ETB와 ITB-모드 운 전 시발현하는 플라즈마 중심 부의 ITB를 묘사. H-모드와 같이 ETB를 갖고 있는 고성능 운전 모드는 대부분 ELM 현상을 보인다. ELM에 의해 짧은 시간 대량으로 방출된 플 라즈마 에너지는 장치 내벽(플라즈마 대면재, Plasma Facing Component)으로 직접 전 달되고 플라즈마 대면재의 손상을 야기한다. 따라서 핵융합로에서는 ETB에 의한 고성능 플라즈마 운전 상태이더라도 ELM 발생을 억 제(Suppression)하는 운전 시나리오 개발이 필요하다. ELM 억제는 플라즈마의 상태에 따라 변 화가 필요하지만 RMP(공명자기섭동, Resonant Magnetic Perturbation) 코일을 활용하여 플라즈마 경계 영역의 자기장에 ~101-102 Gauss 의 자기장을 상황에 알맞게 추가로 인 가하는 시나리오를 통해 실현 가능하다. 그림 9에서와 같이 KSTAR는 2017년 RMP 코일 을 활용하여 세계적으로도 최장 시간인 ~34 초간 ELM을 억제하는 기술을 개발하였 다.[5]

최근 KSTAR는 ITB(내부수송장벽, Internal Transport Barrier)-모드를 구현하는 운전 시나리오를 개발하여 ~1억도의 플라즈마 온 도를 ~8초간 유지 하였다. 이것은 초전도체 코일을 장착한 토카막형 장치에서는 세계적인 기록이다.

그림 9. KSTAR의 RMP 코일을 활용한 장시간 (∼34초) ELM 억제 기술 실험(#18726). (ELM 발현을 의미하는 Dα 신호가 ∼3.6초부터 억제되는 것을 확인.) 1억도의 플라즈마 온도는 핵융합로에서 유 의미한 핵융합 반응 확률을 얻기 위한 최소한 의 값이다. KSTAR에서 구현한 내부수송장 벽은 앞서 H-모드에서 발현한 ELM과 같은 대량의 에너지 방출 현상을 보이지 않는다. 따라서 ITB-모드는 장치 내벽에 악영향을 주 지 않고 안정적인 플라즈마 운전이 가능하다. 하지만 KSTAR의 ITB-모드는 Fusion Product 관점에서 H-모드 운전에 비해 플라 즈마 온도는 매우 높으나 플라즈마 밀도와 가 둠시간이 상대적으로 낮다. 이밖에 KSTAR 는 H-모드와 ITB-모드 뿐만 아니라 다양한 핵융합 운전시나리오 개발 연구를 통해 이후 상용 핵융합로에서 요구되는 플라즈마 발생 운영 시나리오를 연구·개발하고 있다. 핵융합로는 플라즈마 운전 시간 관점에서 ~102_-103_{초 이상 안정적인 플라즈마를 유지} 해야 할 것이다. 따라서 핵융합로는 Fusion Product를 높일 고성능 운전 모드의 개발 뿐 만 아니라 이를 장시간 유지할 플라즈마 제어 기술의 확보 또한 중요하다. KSTAR는 2010년 ~1초 동안 H-모드 플라즈마를 구현 한 이후로 연구개발을 통해 2018년 ~90초 간 H-모드의 고성능 플라즈마를 안정적으로 장시간 유지하였다[6]. KSTAR 장치의 운영 목표인 고성능 플라 즈마 운영 기술 확보를 통해, 플라즈마 전류 2.0 MA, 그리고 300초 이상의 장시간 플라 즈마 제어 기술을 확보하고자 지금도 수 많은 연구자들이 노력하고 있다. 이를 통해 핵융합 상용화를 위한 기반 기술을 확보할 것으로 기 대하며, 가까운 미래에 상용 에너지로 보급될 수 있을 것이다. 참고문헌

[1] G. S. Lee, et all. “Design and construction of the KSTAR tokamak”, Nucl. Fusion, vol. 1. no. 10, p. 1515, Oct. 2001.

[2] K. P. Kim, et al, “Overview of the KSTAR vacuum pumping system”, Fusion Engineering and Design 84 (2009) 1038-1042.

[3] J.D. Lawson, "Some Criteria for a

Power Producing Thermonuclear

Reactor”, Proceedings of the Physical Society (London), B70, 6 (1957) [4] S.W. Yoon, et al., Nucl. Fusion 51

(2011) 113009

[5] Y. M. Jeon, et al., 59th Annual Meeting of the APS Division of

Plasma Physics, Milwaukee,

Wisconsin, USA, NO4-00003, Oct. 23~27 (2017)

[6] H. S. Kim, et al., KSTAR conference 2019, Seoul, Republic of Korea, Feb. 20~22 (2019) 저자이력 김광표 (金桄杓) 1995~2005년 한밭대학교 기계 설계공학 석사학위 취득. 현재 국가핵융합연구소 KSTAR운전 팀장으로 재직 김현석 (金玄錫) 2002~2015년 서울대학교대학 원 에너지시스템 공학부 핵융합 플라즈마 공학 전공으로 박사학 위 취득. 2015년부터 국가핵융 합연구소 재직.