가상시뮬레이션

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거대한 풍력발전기 고장나면 어떻게 할까? #에너지쿠키 4화

탄소 중립 달성을 위한 친환경 에너지 개발이 가속화되면서 풍력 발전은 설치의 간편함과 관광 자원으로서의 가치를 인정받아 전 세계적으로 확산되고 있습니다. 우리나라도 산악 지형을 중심으로 풍력 단지를 조성해 왔으나, 하드웨어 국산화에도 불구하고 핵심 소프트웨어는 여전히 외산 기술에 의존하는 실정이었습니다. 이로 인해 한국 특유의 험준한 산악 지형과 강력한 태풍 조건에서 시스템 제어에 한계가 발생했고, 잦은 고장과 부품 수급 문제로 인한 운영상의 제약이 잇따랐습니다. 한국에너지기술연구원이 개발한 'P-HILS'는 이러한 운영상의 난제를 해결하기 위한 국산 사전 검증 및 제어 시스템입니다. 이 시스템은 설치 예정지의 환경 조건을 가상 공간에 구현하여 풍향과 풍속 변화에 따른 다양한 시나리오를 미리 검증할 수 있게 해줍니다. 사전에 정밀한 테스트를 거침으로써 불필요한 비용을 줄이고 발전 효율을 극대화할 수 있는 최적의 설계를 가능하게 합니다. 이는 외산 기술에 의존하던 과거에서 벗어나 우리 지형에 완벽히 부합하는 독자적인 운영 제어권을 확보했다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 또한 P-HILS는 발전기의 운영 과정에서 발생하는 고장 원인을 신속하게 분석하여 정비 효율을 획기적으로 높여줍니다. 자체 결함인지 외부 환경 탓인지 파악하기 어려웠던 과거와 달리, 시스템이 직접 해결책을 제시하여 전문 인력의 빠른 대처를 돕습니다. 나아가 이 시스템은 가상 시뮬레이션 데이터를 바탕으로 실무 인력을 양성하는 교육용 도구로도 활용될 수 있습니다. 잦은 태풍과 복잡한 산악 지형이라는 악조건 속에서도 대한민국만의 맞춤형 기술을 통해 친환경 에너지 산업의 자립과 안정적인 운영을 동시에 달성할 수 있게 된 것입니다.

한국에너지기술연구원

지구환경과학
공학·기술

한국의 인공태양 KSTAR에게 쌍둥이 동생이 있다고?! 숨겨왔던 나의~~🎵

현실의 사물을 가상 공간에 완벽하게 투영하여 복제하는 기술을 '디지털 트윈'이라 일컫습니다. 이는 단순히 외형을 묘사하는 그래픽 작업을 넘어, 대상의 움직임과 기능적 특성까지 데이터로 결합하여 실시간 상호작용이 가능하게 만드는 고도의 기술입니다. 이러한 기술은 복잡한 공정을 미리 점검하거나 사람이 직접 접근하기 어려운 극한 환경에서의 작업을 원격으로 가능하게 합니다. 오늘날 디지털 트윈은 제조 산업부터 메타버스에 이르기까지 폭넓은 분야에서 기술 혁신을 주도하며 그 영향력을 넓혀가고 있습니다. 핵융합 연구는 태양과 같은 초고온, 고압의 극한 상태를 지구상에서 인위적으로 제어해야 하는 만큼, 그 과정이 매우 복잡하고 정밀한 과학적 설계를 요구합니다. 이를 위해 탄생한 것이 바로 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 가상 복제본인 'V-KSTAR(버추얼 KSTAR)'입니다. 연구진은 KSTAR의 정밀한 설계 데이터와 최신 시각화 엔진을 융합하여 가상 공간 내에 실물과 동일한 실험 환경을 정교하게 구축했습니다. 이는 실제 장치를 가동하기 전 발생할 수 있는 여러 시행착오를 미연에 방지하고 실험의 효율성을 극대화하는 핵심 도구로 쓰입니다. V-KSTAR는 단순히 정지된 모델이 아니라, 실제 운전 과정에서 발생하는 방대한 양의 데이터를 실시간으로 반영하는 동적인 시스템입니다. 특히 1억 도 이상의 온도를 조절하는 중성입자가열장치의 작동이나, 플라즈마의 3차원 구조 변화처럼 육안으로 직접 확인하기 어려운 물리적 현상을 가상 공간에 생생하게 구현해냅니다. 연구자들은 이를 통해 복잡한 핵융합 현상을 직관적으로 관찰하고 분석할 수 있으며, 정량화된 시뮬레이션 데이터를 바탕으로 한층 정교한 제어 시나리오를 설계함으로써 장치의 전반적인 성능을 향상시키고 있습니다. 현재 디지털 트윈을 핵융합 연구에 도입하려는 움직임은 전 세계적인 추세이며, 대한민국은 이 분야에서 기술적 리더십을 발휘하고 있습니다. 프랑스에서 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)와 영국의 MAST 등 주요 핵융합 연구 장치들도 조립 및 운전 최적화를 위해 디지털 트윈 기술을 적극 도입하는 중입니다. 하지만 한국은 설계 단계부터 고속 게임 그래픽 기술을 접목하여 가장 앞선 수준의 구현체를 완성했다는 평가를 받습니다. 이러한 선도적 성과는 글로벌 연구 협력에서 한국의 위상을 높이는 동시에 미래 에너지 주권을 확보하는 밑거름이 됩니다. 앞으로의 개발 방향은 현재 운영 중인 장치의 모사를 넘어, 아직 건설되지 않은 차세대 장치를 가상 공간에서 먼저 검증하는 단계로 진화할 예정입니다. 그 최종적인 목적지는 한국형 핵융합 실증로인 'K-DEMO'의 성공적인 안착입니다. 실물 장치를 건설하기 전 '버추얼 DEMO'를 통해 설계의 최적화와 성능 예측을 완벽히 수행함으로써, 건설에 필요한 막대한 예산과 개발 기간을 획기적으로 단축할 수 있습니다. 결국 디지털 트윈은 인류에게 무궁무진한 청정 에너지를 선사할 핵융합 에너지 시대를 앞당기는 가장 강력한 무기가 될 것입니다.

한국핵융합에너지연구원

물리학
융합
공학·기술

[최초공개] 핵융합 상용화 비밀 풀어줄 슈퍼컴퓨터 등장! 국내 3위 규모 슈퍼컴의 위엄

핵융합 연구는 막대한 노력과 자원이 투입되는 정밀한 과학적 여정입니다. 한정된 실험 기회를 최대한 효율적으로 활용하기 위해서는 철저한 예습과 복습이 무엇보다 중요합니다. 여기서 말하는 예습과 복습이란 과거의 방대한 실험 데이터를 심도 있게 분석하고, 향후 진행될 실험 결과를 과학적으로 예측하는 일련의 과정을 의미합니다. 이러한 정밀한 데이터 기반의 접근법이야말로 핵융합 상용화를 앞당기는 핵심 동력이자 연구의 성패를 가르는 중요한 요소라고 할 수 있습니다. 복잡한 물리 현상을 다루는 핵융합 연구에서는 계산의 정밀도가 결과의 신뢰도를 결정합니다. 이를 위해 슈퍼컴퓨터와 같은 거대한 계산 자원이 반드시 필요하며, 전산 팀과 시설 팀은 도입 단계부터 안정적인 전력 공급과 냉각 시스템 구축을 위해 긴밀하게 협의해 왔습니다. 인프라 구축 과정에서 결정된 사항들이 실제 시스템에 잘 반영되었는지 점검하는 일은 매우 중요합니다. 이러한 체계적인 준비 과정을 거쳐 확보된 슈퍼컴퓨터는 핵융합 연구의 든든한 기술적 토대가 되고 있습니다. 현재 진행 중인 KSTAR 실험의 궁극적인 목표는 핵융합 발전에 필수적인 고온 플라즈마 노심을 안정적으로 구현하는 것입니다. 실제 실험을 진행하다 보면 예상보다 결과가 좋거나 혹은 기대에 미치지 못하는 경우가 발생하는데, 슈퍼컴퓨터는 이러한 오차의 원인을 분석하는 데 활용됩니다. 예상치 못한 변수들이 플라즈마에 미치는 영향을 과학적으로 규명함으로써 KSTAR의 성능을 지속적으로 향상시키고, 우리가 이해하지 못했던 물리적 현상들을 하나씩 정복하며 기술적 완성도를 높여가고 있습니다. 연구소의 슈퍼컴퓨터는 총 420여 개의 노드로 구성되어 있으며, 각 노드에는 48개의 CPU가 탑재되어 총 2만 대의 가정용 컴퓨터에 맞먹는 강력한 성능을 자랑합니다. 이 거대한 연산 능력을 바탕으로 KSTAR 규모의 플라즈마 성질을 예측하는 실력을 갖추는 것이 현재의 당면 과제입니다. 이러한 데이터가 축적되면 다음 단계인 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에서도 더욱 강력하고 안정적인 플라즈마 성능을 예측하고 제어할 수 있는 독보적인 기술적 역량을 확보하게 될 것입니다. KSTAR와 ITER를 거치며 확보한 시뮬레이션 기술은 미래 핵융합 장치 설계의 패러다임을 바꿀 것입니다. 실제 장치를 제작하기 전이라도 고도화된 시뮬레이션을 통해 설계안이 목표 성능을 달성할 수 있는지 미리 검증할 수 있기 때문입니다. 특정 부품의 추가나 제외가 전체 성능에 미치는 영향을 사전에 분석함으로써 시행착오를 획기적으로 줄이고, 우리가 꿈꾸는 에너지 자립을 실현하기 위한 가장 효율적이고 경제적인 핵융합로 설계의 길을 열어줄 것으로 기대됩니다.

한국핵융합에너지연구원

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