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[에너지신문] 초전도 핵융합 연구장치 KSTAR가 미래 핵융합로에 가까운 텅스텐 환경에서 장시간 플라즈마 운전기술을 검증한다. 플라즈마 유지시간을 늘리는 것과 함께, 내부 부품의 열부하와 텅스텐 불순물, 플라즈마 불안정 및 붕괴까지 실제 핵융합로 운전에 필요한 과제를 함께 다룬다.

한국핵융합에너지연구원은 프랑스 원자력·대체에너지청(CEA) 카다라슈와 이탈리아 ENEA 프라스카티 연구센터, 독일 막스플랑크 플라즈마물리연구소(IPP) 가르힝, 핀란드 국가기술연구센터(VTT)와 ‘KSTAR 텅스텐 환경 장시간 플라즈마 공동연구 실행계획’을 마련했다.

공동연구는 2026~2027년 KSTAR 실험 캠페인과 데이터 분석을 중심으로 진행된다. 실행계획은 서명 이후 5년간 유효하다.

▲ 초전도 핵융합 연구장치 'KSTAR'

핵융합로 내부에서는 1억도 이상의 초고온 플라즈마가 강한 자기장에 갇혀 운전된다. 플라즈마와 직접 맞닿거나 열과 입자의 영향을 받는 디버터와 내벽 등 플라즈마 대면부품은 극심한 열부하를 견뎌야 한다.

텅스텐은 녹는점이 높고 고온에 강해 미래 핵융합로의 내부 부품 소재로 활용될 가능성이 크다. 그러나 열에 강하다는 이유만으로 안정적인 핵융합로 운전이 보장되는 것은 아니다.

플라즈마와 내벽이 상호작용하는 과정에서 텅스텐 입자가 떨어져 나와 플라즈마 내부로 유입되면 에너지 손실을 일으키고 플라즈마 성능을 저하시킬 수 있다. 유입량이 늘어나면 장시간 고성능 운전을 유지하기 어려워질 가능성도 있다.

이번 연구의 핵심도 텅스텐을 적용할 수 있는지 자체를 확인하는 데 있지 않다. 텅스텐 내벽을 사용하면서 불순물 유입을 억제하고, 유입된 불순물이 플라즈마 성능에 미치는 영향을 최소화하는 운전 조건을 찾는 것이 관건이다.

KSTAR는 2026년 하반기 플라즈마와 맞닿는 내부 부품을 텅스텐으로 교체하는 업그레이드를 추진한다. 업그레이드가 완료되면 기존의 장시간 고성능 플라즈마 운전 역량을 텅스텐 내벽 환경에서 다시 검증해야 한다.

유럽 연구기관은 이미 텅스텐을 적용한 토카막 운전과 플라즈마 대면부품 연구 경험을 쌓아왔다.

독일 IPP는 텅스텐을 적용한 토카막 ‘AUG(ASDEX Upgrade)’를 운영하며 플라즈마 운전과 제어기술을 연구하고 있다. 프랑스 CEA는 ‘WEST’를 통해 텅스텐 환경에서의 장시간 플라즈마 운전과 대면부품 특성을 분석하고 있다.

이탈리아 ENEA는 디버터의 열부하를 낮추고 플라즈마 대면부품을 보호하는 기술을 연구한다. 현재 건설 중인 디버터 토카막 시험시설 ‘DTT’와 연계할 수 있는 연구 경험도 공동연구에 활용될 전망이다. 핀란드 VTT는 재료·공학·모델링 분야를 맡는다.

한국은 KSTAR를 이용한 공동실험을 수행하고, 유럽 측은 기존 텅스텐 토카막에서 축적한 운전·분석 경험을 제공한다. 장치마다 규모와 운전 조건이 다른 만큼 실험결과를 상호 비교하고 모델링을 통해 공통적인 물리현상을 확인하는 방식으로 연구가 진행될 것으로 보인다.

KSTAR가 가진 장시간 플라즈마 정밀제어 능력과 유럽의 텅스텐 장치 경험을 결합하면 개별 장치에서 얻은 결과만으로는 확인하기 어려운 운전 조건과 소재 영향을 폭넓게 분석할 수 있다.

공동연구 분야는 텅스텐 환경의 장시간 플라즈마 운전과 불순물 제어에만 한정되지 않는다. 플라즈마에서 빠져나오는 열과 입자가 디버터 등 내부 부품에 집중되지 않도록 열부하를 낮추는 기술도 연구한다. 핵융합로가 장시간 운전되면 내부 부품이 반복적인 열 충격을 받기 때문에 순간적인 최고 온도뿐 아니라 누적되는 열부하를 관리해야 한다.

플라즈마 가장자리에서 열과 입자가 순간적으로 방출되는 ELM과 같은 불안정 현상도 주요 연구 대상이다. 이러한 현상이 반복되면 내벽과 디버터에 부담을 주고 텅스텐 불순물 발생을 늘릴 수 있다.

갑작스럽게 플라즈마가 소멸하는 붕괴 현상의 영향을 줄이는 기술과 텅스텐 내부 부품의 상태를 진단하는 방법도 함께 검증한다. 결국 플라즈마 성능과 장치 보호를 따로 다루지 않고 하나의 운전체계 안에서 제어하는 것이 공동연구의 방향이다.

이는 장시간 플라즈마를 유지하는 기록 자체와 발전단계 핵융합로의 지속 운전 사이에 존재하는 기술적 간극을 좁히는 과정이다. 핵융합로는 높은 성능의 플라즈마를 만드는 것뿐 아니라 내부 부품을 보호하면서 동일한 운전을 안정적으로 반복할 수 있어야 하기 때문이다.

이번 업그레이드와 공동연구가 계획대로 진행되면 KSTAR는 장시간 플라즈마 연구장치를 넘어 텅스텐 소재와 불순물, 열부하, 불안정 제어를 종합적으로 시험하는 장치로 연구 범위를 넓힐 전망이다.

출처 : 에너지신문(https://www.energy-news.co.kr/)