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국내 기술로 개발한 초전도 핵융합장치 KSTAR가 국제핵융합실험로 ITER의 마이크로파(혹은 초고주파) 가열을 위해 개발된 '170GHz 마이크로파 전자공명 가열 및 전류구동 (ECH/CD) 시스템'을 이용해 핵융합 장치의 초기 시동 및 플라즈마 가열에 최근 성공했습니다.

KSTAR 가열장치실에 설치된 170 GHz 고출력 마이크로파 가열 및 전류구동 시스템

현재 개발된 장치 중 가장 높은 주파수를 가진 '170기가헤르쯔(GHz) 마이크로파 전자공명 가열 및 전류구동 (ECH/CD)시스템'은 핵융합 장치에서 생성되는 플라즈마의 부분적인 가열과 전류 분포 제어에 가장 효과적인 장치로, ITER를 포함한 미래 핵융합로의 가열장치 분야 핵심 기술로 평가되고 있습니다.  

이번 성과는 핵융합 가열장치의 시스템 개발 초기단계에서부터 시스템 개발 및 통합과 실제 핵융합 장치에 적용하는 단계까지 ITER사업에 참여하는 한·미·일 등 다국 간 국제협력 프로그램을 통해 이루어진 대표적인 과학기술 분야의 국제협력 성공 사례로서 의미가 큽니다.

이번 실험에 사용된 ECH/CD 가열 시스템의 가장 핵심 부품인 170GHz, 1MW급 자이로트론 발진기는 ITER 장치의 가열을 위해 일본에서 개발된 최신 장치입니다.

한-일 핵융합협력 약정을 통해 일본 JAEA연구소에서 무상 임대한 170 GHz, 1 MW급 자이로트론 발진기

국가핵융합연구소는 한·일 핵융합 협력 약정을 기반으로 지난 7월 일본원자력연구개발기구(JAEA)로부터 이를 무상 임대 받아 KSTAR에 설치했습니다.

초고주파의 위치 제어가 가능한 마이크로파 빔 입사 장치는 미국 프린스턴플라즈마물리연구소(PPPL)와 국내 KSTAR 공동연구거점센터 중 하나인 포스텍의 '플라즈마 진단 및 정상상태 연구센터'가 공동으로 개발해 지난 4월 KSTAR에 설치됐습니다. 
  
또 핵융합연의 KSTAR 운영사업단은 자이로트론 운전용 대용량 고전압 전원장치 및 통합 제어 시스템을 성공적으로 개발하고 설치해 최대 0.5MW급에 준하는 170GHz 마이크로파 빔을 KSTAR 장치에 입사하는 실험도 성공시켰습니다.

'170GHz ECH/CD 시스템은 미래 핵융합로에서의 플라즈마 전자가열과 플라즈마 전류분포 불안정성을 억제하고 제어하는 데 필수적인 시스템으로, 이를 위해 자이로트론 발진기 및 주요 핵심 부품의 개발을 위한 ITER 회원국 간의 국제협력이 활발히 진행되고 있습니다.

이번 170GHz ECH/CD 장치의 KSTAR 최초 적용은 세계 핵융합 전문가들의 주목을 받고 있으며, 향후 ITER 장치의 가열장치 개발은 물론 설치 및 시운전 뿐 아니라 ITER 초기 시동 시나리오 개발에도 큰 기여를 할 것으로 기대되고 있습니다.
 
권면 KSTAR 운영사업단장은 이번 성과가 ITER에 적용될 가열 시스템의 기본실험이 국제핵융합공동연구장치로 주목받고 있는 KSTAR에서 먼저 수행되었다는 점에서 국제협력 거대장치 개발 중 대표적 성공사례로 의미를 부여했습니다.

한편 지난 4월부터 4번째 장치 가동에 들어간 KSTAR는 현재 플라즈마 발생 실험을 진행 중이며, 8월 말까지 플라즈마 실험을 진행한 후 장치 승온 작업 등을 통해 9월 말 가동을 마칠 예정입니다.
 

KSTAR 토카막 내부에 설치된 빔 입사 위치 제어 장치 (빨간색 원의 내부)

빔 입사 위치 제어 장치의 핵심 부품인 조사 거울 (steering mirror)의 모습



   용 어 설 명

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) : 미래의 무한 에너지 자원인 핵융합에너지의 개발을 위해 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합장치로 세계 최초로 ITER와 동일한 초전도 재료로 제작되었으며, '95년 부터 '07년까지(약12년간) 주장치 완공 후, '08년 최초플라즈마 발생에 성공하여 장치성능을 입증한 이후로 본격 가동에 돌입하여 국제핵융합 공동 연구시설 운영되고 있음  

ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) : 국제핵융합실험로, 핵융합에너지 상용화를 위한 과학적?기술적 실증을 위하여 우리나라를 비롯하여 유럽연합, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 7개국이 공동으로 핵융합로를 건설하고 운영하는 대형 국제 협력 프로젝트

토카막(Tokamak) : 태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치로 러시아에서 처음 개발되었으며, 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있음 

마이크로파 플라즈마 가열 및 전류구동(Electron Cyclotron Heating and Current Drive)장치 : 핵융합 플라즈마 내에 존재하는 전자의 회전 운동과 공명(resonance)하는 주파수를 가진 마이크로파를 입사하여 전자를 선택적으로 가열하고 운동에너지를 전달하여 전류를 발생시키는 장치임. 전 세계 대부분의 토카막형 핵융합 장치에서 플라즈마 가열과 전류 제어용으로 다양한 실험을 위해 사용되고 있음  

자이로트론 (Gyrotron) : 자이로트론은 수 GHz(GHz는 FM라디오 주파수의 1000배 수준)에서 수백 GHz 대역의 광범위한 주파수를 가진 마이크로파를 최대 MW 급으로 발진하는 발진기로서, 발진기 내부에서 고에너지 전자빔의 파워를 마이크로파로 변환시키는 장치 임. 자이로트론 내부에 있는 전자총에 의해 고에너지 전자빔이 가속되며 강한 외부 자기장에 의해 회전 운동을 하며 특수한 형상의 공동(Cavity)구조에 도달하면 마이크로파가 발진됨

이재형 기자 1800916@cctoday.co.kr

posted by 글쓴이 과학이야기
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