한국형 인공태양 케이스타(KSTAR)가 내벽 부품을 교체한 후 실시한 첫번째 실험에서 기존 기록을 경신하는 성과를 달성했다.

한국핵융합에너지연구원 KSTAR 연구본부는 지난 2월 진행한 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합 핵심 조건인 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 48초 운전과 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 102초 운전 기록을 달성했다고 20일 밝혔다.

케이스타는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 인공적으로 구현하기 위해 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합연구장치다. 핵융합이 일어날 수 있는 조건인 플라즈마 상태를 구현하고 연속적으로 유지하는 기술을 확보하는 것이 핵심 과제다.

플라즈마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있다. 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다.

케이스타는 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치다. 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있으며, 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하고 있다.

2008년 최초 플라즈마 발생에 성공한 후 핵융합 플라즈마 장시간 운전 기술 분야에서 선도적인 연구 성과를 달성해 왔다. 특히 지난 2018년 최초로 이온온도 1억도 플라즈마 달성 이후 2021년 1억도 플라즈마를 30초 유지하며 세계 기록을 달성한 바 있다.

핵융합연에 따르면 이번 케이스타 연구성과는 지난해 내부의 플라즈마 대면 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 교체한 효과에 따른 것이다. 텅스텐 소재는 기존 탄소 소재에 비해 장시간 플라즈마 운전에 따른 성능 감소 현상을 완화해 플라즈마 성능을 유지할 수 있게 해준다.

실제 텅스텐 디버터는 기존의 탄소 디버터와 비교해 동일 열부하에 대해 표면 온도 증가가 약 1/4 수준에 불과하다.

윤시우 핵융합연 KSTAR연구본부장은 “KSTAR 최종 운전 목표 달성을 위해 장치의 성능 향상을 순차적으로 진행하고, 장시간 플라즈마 운전에 요구되는 핵심기술을 확보할 계획”이라고 말했다.

KSTAR의 최종 목표는 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 운전 300초를 달성하는 것이다. KSTAR 연구진은 이를 위해 KSTAR 내벽 부품 전체를 텅스텐으로 교체하고, 인공지능 기반 실시간 피드백 제어 기술을 확보하는 등 관련 연구 및 장치 성능 개선에 집중할 계획이다.

고성수 기자 ssgo@naeil.com