세계 최초 한국의 KSTAR실험 (초전도핵융합연구장치)

 

KSTAR실험은 한국형 초전도핵융합연구장치(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)의 약자로, 한국핵융합에너지연구원에서 수행하는 핵융합 실험입니다. 핵융합 실험은 태양과 같은 원리로 수소 원자핵을 합쳐서 헬륨 원자핵을 만들고, 그 과정에서 발생하는 엄청난 에너지를 이용하는 차세대 발전 방식입니다.

KSTAR실험은 1995년부터 개발에 착수하여 2007년에 완공되었으며, 지름 10m, 높이 6m의 도넛 모양의 장치로 구성되어 있습니다. 이 장치는 특수한 전기장을 이용하여 플라스마라는 원자핵과 전자가 분리된 물질 상태를 만들고, 그 안에서 수소 원자핵들이 충돌하면서 핵융합 반응을 일으킵니다. 이때 플라스마의 온도는 섭씨 1억도 이상이 되어야 하며, 이를 유지하는 것이 핵융합 발전의 핵심 기술입니다.

KSTAR실험은 세계 최초로 300초 이상 고주파를 낼 수 있는 메가헤르츠(MHz) 대역의 전자기파 가열장치를 사용하여 플라스마의 온도를 높이고 있습니다. 2018년에는 최초로 플라스마 이온온도 1억도를 달성하였으며, 유지시간은 약 1.5초였습니다. 2019년에는 중성입자빔가열장치를 추가로 도입하여 유지시간을 8초까지 늘렸습니다. 그리고 2020년에는 세계 최장기록인 20초간 1억도 초고온 플라즈마 운전에 성공하였습니다.

KSTAR실험은 국제핵융합실험로(ITER)와 같은 기본개념 설계를 가지고 있으며, ITER는 세계 여러 나라가 공동으로 개발하고 있는 대형 핵융합 장치입니다. KSTAR실험은 ITER의 성공적인 가동을 위한 기초 연구와 기술 개발에 기여하고 있습니다. 또한 KSTAR실험은 핵융합 발전의 상용화를 위한 다양한 연구와 실험을 수행하고 있습니다. 예를 들어, 플라즈마의 안정성과 제어, 장치의 내구성과 안전성, 연료의 효율성과 순환성 등에 관한 연구입니다.

KSTAR실험은 앞으로도 초고온 플라스마 운전 시간을 늘리는 것을 목표로 하고 있습니다. 2025년까지는 300초, 2030년까지는 600초 이상의 유지시간을 달성할 계획입니다. 또한 플라스마의 밀도와 압력을 높여서 핵융합 성능 지표인 베타(β) 값을 향상시킬 계획입니다. 이러한 연구와 실험을 통해 KSTAR실험은 세계 핵융합 연구의 선두주자로서의 역할을 계속 수행할 것입니다.

 

 

(KSTAR실험과 관련된 과학자)

KSTAR실험과 관련된 과학자는 여러 분야와 기관에서 활동하고 있습니다. 예를 들어, 서울대학교 원자핵공학과 나용수 교수와 프린스턴 대학 서재민 박사 연구팀은 KSTAR에서 플라스마 난류가 발생시킬 수 있는 전류에 대한 실험을 진행하던 중, 우연히 기존 이론과 시뮬레이션으로 설명하지 못하는 정체불명의 플라즈마 전류가 발생하는 것을 발견했습니다. 이는 핵융합 상용로를 위한 장시간 지속운전에 실마리를 줄 것으로 기대됩니다. 또한 한국원자력연구소 곽종구 박사팀은 2007년 7월 12일 세계 최초로 300초 이상 고주파를 낼 수 있는 메가헤르츠 (MHz) 대역의 전자기파 가열장치의 개발 성공을 발표했습니다. 이는 플라스마의 온도를 섭씨 1억도까지 올리는데 필요한 기술입니다. 이 외에도 한국핵융합에너지연구원, 프린스턴플라즈마물리연구소, 제너럴 아토믹스 등 다양한 연구기관들이 KSTAR실험에 참여하고 있습니다.