한국 인공태양 KSTAR! 더 오래 뜨거워질 준비 마쳤다
한국의 태양으로 불리는 KSTAR가 2023년 새로운 도약을 위한 캠페인을 시작했습니다. 이번 캠페인에서 가장 주목할 변화는 디버터 소재를 기존의 탄소에서 텅스텐 디버터(카세트 모노블록 형식)로 교체한 점입니다. 내부 구조물의 형상이 근본적으로 바뀌면서 시동 시나리오 역시 새롭게 설계되었습니다. 이는 단순히 부품을 바꾸는 것을 넘어 KSTAR의 모든 운영 체계를 새로 시작한다는 의미를 담고 있습니다. 올해는 작년에 달성한 운전 파라미터를 안정적으로 재현하는 것을 1차 목표로 삼아 본격적인 실험에 돌입했습니다. 디버터는 핵융합 장치 내부에서 플라즈마 코어의 불순물을 외곽으로 몰아내 배출하는 핵심 장치입니다. 고온의 입자들이 모이는 곳인 만큼 극심한 열부하를 견뎌내야 하는 가혹한 환경에 노출됩니다. 기존에 사용하던 탄소 소재는 수소를 잘 흡수하고 결합하여 메탄을 생성하는 부작용이 있었으며, 접촉 냉각 방식의 한계로 인해 장시간 고열을 견디기에는 냉각 능력이 충분하지 않았습니다. 이러한 한계는 고성능 플라즈마를 오랫동안 유지하는 데 있어 커다란 걸림돌로 작용해 왔기에 소재의 변화가 절실한 상황이었습니다. 새롭게 도입된 텅스텐 디버터는 모노블록 구조를 채택하여 냉각 성능을 혁신적으로 개선했습니다. 텅스텐 모노블록 내부로 냉각수가 직접 흐르는 방식을 도입함으로써 기존 탄소 디버터보다 열 제거 능력이 대폭 향상된 것입니다. 텅스텐은 고온 내구성이 매우 뛰어나 1억 도 이상의 초고온 플라즈마를 30초 이상 운전할 때 발생하는 강력한 열부하를 효과적으로 견뎌낼 수 있습니다. 이는 향후 KSTAR가 초고온 플라즈마를 수백 초 동안 안정적으로 유지하며 장시간 운전의 기틀을 마련하는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 텅스텐 디버터는 정상 상태에서 제곱미터당 10메가와트의 열부하를 제거할 수 있어 기존 대비 월등한 성능을 자랑합니다. 이러한 기술적 진보는 국제핵융합실험로(ITER)가 대면재를 텅스텐으로 교체하기로 결정한 흐름과 궤를 같이합니다. KSTAR는 현재 전 세계에서 ITER와 가장 유사한 성능을 구현할 수 있는 장치로 평가받고 있습니다. 따라서 이번 실험 결과는 향후 ITER의 운전 계획을 수립하고 성공적인 가동을 준비하는 데 결정적인 데이터를 제공하여 국제적인 핵융합 연구를 선도하는 밑거름이 될 것입니다. 새로운 디버터 구축 과정에는 수많은 난관이 있었습니다. 복잡한 형상의 텅스텐 카세트를 정밀하게 제작하고 설치하는 과정에서 막대한 노력이 투입되었으며, 냉각 및 진단 시스템을 재정비하는 데도 상당한 시간이 소요되었습니다. 하지만 이러한 어려움을 극복하고 마련한 기반은 고성능 플라즈마의 장시간 운전을 가능케 할 것입니다. KSTAR의 최종 목표는 2026년까지 1억 도 이온 온도를 300초간 유지하고, 고성능 플라즈마를 100초간 연속 운전하는 것입니다. 연구진의 헌신적인 노력을 통해 한국은 핵융합 에너지 강국으로 우뚝 설 준비를 마쳤습니다.
