인공태양의 핵심은 태양 중심보다 뜨거운 1억 도 이상의 플라스마를 안전하게 가두는 기술에 있습니다. 지구상에서는 태양과 같은 거대한 중력이 존재하지 않기 때문에, 이를 대신해 강력한 자기장을 활용하여 뜨거운 플라스마가 장치 벽면에 직접 닿지 않도록 제어합니다. 이러한 원리를 이용한 장치를 '토카막'이라고 부르며, 토카막 내부에서 플라스마를 효과적으로 가두고 유지하기 위해서는 엄청난 세기의 자기장을 형성하는 전용 자석 시스템이 필수적으로 요구됩니다.

핵융합 장치에는 용도에 따라 세 가지 종류의 자석이 들어갑니다. 플라스마를 가두는 TF 자석, 발생과 유지를 담당하는 CS 자석, 그리고 위치와 형상을 조절하는 PF 자석이 그것입니다. 한국의 초전도 핵융합 연구 장치인 KSTAR는 구리선보다 100배 많은 전류를 흘릴 수 있는 초전도체를 사용하여 지구 자기장의 약 14만 배에 달하는 7.2 테슬라의 자기장을 구현해냈습니다. 이는 핵융합 반응을 안정적으로 지속하기 위한 고도의 공학적 설계가 집약된 결과물이라 할 수 있습니다.

13 테슬라의 강력한 자력은 상하로 나뉘어 있는 자석의 절반이 무려 5만 톤의 힘으로 서로를 끌어당기고 있는 것과 맞먹는 수준입니다.

국제 공동으로 건설 중인 세계 최대 규모의 인공태양 ITER는 KSTAR보다 훨씬 강력한 성능을 지향합니다. 이곳에 설치되는 중심 솔레노이드 자석인 CS 자석은 높이가 무려 18미터에 달하며, 최대 13 테슬라의 자기장을 발생시킬 수 있도록 설계되었습니다. 이 수치는 거대한 항공모함을 오직 자력만으로 들어 올릴 수 있을 만큼의 엄청난 물리적 에너지를 의미합니다. 이러한 강력한 자기장은 장시간 동안 플라스마를 안정적으로 유지하며 실제 핵융합 에너지를 생산하는 결정적인 역할을 수행합니다.

강력한 자기장을 다루는 만큼 주변 환경에 미칠 영향에 대한 우려가 생길 수 있지만, 핵융합 장치는 정밀한 설계를 통해 외부 자기장 노출을 최소화합니다. 주된 자기장 발생 장치인 TF 자석은 내부로 자기장을 가두는 폐쇄적인 구조이며, 외부로 누설되는 자기장은 거리의 세제곱에 반비례하여 급격히 감쇠됩니다. 특히 주 제어실이 위치한 방향은 전류의 흐름이 서로 상쇄되도록 배치되어 자기장이 99.9% 이상 감소하므로, 연구원들이 장치 주변에서 안전하게 업무를 수행하고 시스템을 제어하는 데 전혀 지장이 없습니다.

미래의 핵융합 실증로 개발을 위해서는 현재의 기술력을 뛰어넘는 더욱 강력한 초전도 자석이 필요합니다. 한국형 핵융합 실증로인 K-DEMO의 경우, 기존 ITER의 성능을 상회하는 16 테슬라급의 초전도 자석 개발을 목표로 하고 있습니다. 이는 마치 기술적 한계에 도전하는 극한의 프로젝트와 같으며, 성공할 경우 인류는 무한하고 깨끗한 핵융합 에너지를 실제로 전력망에 공급할 수 있는 시대를 맞이하게 될 것입니다. 지금 이 순간에도 연구원들은 에너지 자립을 향한 불가능에 가까운 도전을 멈추지 않고 이어가고 있습니다.