태양의 핵융합 반응을 지구에서 재현하기 위해서는 초고온, 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 가두는 기술이 필수적입니다. 한국의 인공태양이라 불리는 KSTAR는 이를 위해 다양한 '플라즈마 운전 모드'를 연구하고 있습니다. 여기서 운전 모드란 플라즈마의 특정한 상태를 의미하며, 플라즈마 운전 시나리오는 그 상태에 도달하기 위한 일종의 요리법이라 할 수 있습니다. 최근 KSTAR는 1억 도 이상의 초고온 플라즈마를 48초간 유지하고 고성능 플라즈마를 102초 동안 운전하는 놀라운 성과를 거두며 핵융합 에너지 상용화에 한 걸음 더 다가서고 있습니다.

핵융합 에너지 개발의 역사에서 1982년 H-모드의 발견은 매우 중요한 전환점이 되었습니다. '높은 에너지 가둠 모드'를 뜻하는 H-모드는 기존 방식보다 에너지 효율이 두 배나 높아 상용화의 핵심 조건인 고온, 고밀도, 고효율을 동시에 만족시킬 수 있는 우수한 성능을 보여줍니다. H-모드의 핵심은 플라즈마 경계면에 '페데스탈'이라는 댐과 같은 구조가 형성되어 더 많은 플라즈마를 가두는 것입니다. 비록 이 구조가 주기적으로 붕괴하며 에너지를 방출하는 ELM 현상을 일으키기도 하지만, 여전히 핵융합 연구의 표준이자 지향점으로 평가받고 있습니다.

핵융합 플라즈마의 역사는 효율적인 가둠 기술인 H-모드를 발견하기 전과 후로 크게 나눌 수 있을 만큼 그 영향력이 막대합니다.

H-모드를 안정적으로 구현하기 위해서는 플라즈마를 장치 내벽에서 띄우고 충분한 외부 가열을 주입하는 두 가지 핵심 조건을 만족해야 합니다. 과거에는 플라즈마를 공중에 띄운 상태로 유지하는 것이 매우 어려운 기술이었으나, 현재는 모든 토카막 장치에서 필수적으로 달성해야 하는 표준 운전 모드로 자리 잡았습니다. KSTAR는 2010년 첫 H-모드 달성 이후 꾸준히 기술을 고도화하여 올해 100초 이상의 연속 운전을 실현해냈습니다. 이러한 표준 모드를 넘어 현재는 플라즈마 내부에 추가적인 장벽을 형성하여 효율을 극대화하는 고성능 운전 모드 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

차세대 기술로 주목받는 ITB(내부 수송 장벽) 모드는 플라즈마 경계면뿐만 아니라 내부에도 '내부 수송 장벽'이라는 또 다른 댐을 세우는 방식입니다. 이는 플라즈마 자기장의 꼬임 정도를 나타내는 '안전 인자(q)'를 정밀하게 조절함으로써 가능해집니다. 토카막 내부에서 중심부와 경계면의 자기장 꼬임 정도를 의도한 대로 다르게 설정하면, 플라즈마 입자를 더욱 단단하게 가둘 수 있는 다중 장벽 구조가 형성됩니다. 이렇게 여러 층의 장벽을 쌓아 올리는 정교한 제어 기술은 투입되는 에너지 대비 산출되는 핵융합 에너지를 극대화하며 미래 발전소 운영의 핵심적인 기반이 될 전망입니다.

KSTAR와 서울대학교의 공동 연구로 탄생한 'FIRE 모드'는 한국만의 독보적인 고성능 운전 시나리오입니다. FIRE 모드는 가열 과정에서 발생하는 고속 이온이 내부의 미세한 난류를 안정화하여 이온 온도를 극단적으로 높이는 독특한 특성을 가집니다. 특히 기존 H-모드의 고질적인 문제였던 장치 내벽 손상을 유발하는 ELM 현상이 발생하지 않는다는 점이 가장 큰 강점으로 꼽힙니다. 2024년 2월에 기록한 초고온 48초 연속 운전의 쾌거는 바로 이 FIRE 모드라는 우리만의 기술력을 통해 이뤄낸 결실입니다. 이러한 도전은 우리가 머지않은 미래에 무한한 청정에너지를 얻게 될 것임을 확신하게 합니다.