KSTAR, 경계면 불안정 현상 세계 최초 완벽 제어

한국형 핵융합로 KSTAR가 최근 플라즈마 발생 실험을 통해 핵융합 연구의 최대 난제 중 하나로 꼽히는 '핵융합 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)' 제어에 성공했습니다.

경계면 불안정 현상(Edge Localized Mode :ELM)은 토카막형 핵융합 장치의 높은 밀폐 상태에서 발생하는 고온 플라즈마 경계의 큰 압력 변화로 인한 불안정(instability) 현상의 하나로, 발생 시 열손실과 장치 내벽에 손상을 주게 되어 핵융합 상용화를 위해서는 반드시 해결해야 하는 난제입니다.

이번 KSTAR의 성과는 초전도 핵융합 장치에서 경계면 불안정 현상을 '완벽하게 억제'한 최초 사례입니다.

자장섭동에 의한 ELM 제어

□ 국가핵융합연구소 KSTAR운영사업단은 지난 4월부터 9월까지 수행한 KSTAR의 4번째 장치 운전 및 플라즈마 발생 실험에서 고성능 플라즈마 밀폐 상태인 H-모드를 유지하면서 자장섭동, 초음속 분자가스 투입, 플라즈마 수직이동 등의 방법을 이용하여 ELM 현상을 완벽하게 제어했습니다.

H-모드는 플라즈마 운전에 있어서 D자형으로의 형상제어와 더불어 일정 출력수준이상의 가열장치를 가동한 결과 동일한 환경 하에서 플라즈마 밀도와 온도가 약 2배 증가되는 현상입니다.

KSTAR는 지난해 초전도 핵융합장치로서는 세계 최초로 H-모드를 달성했습니다.

그런데 H-모드 상태에서의 ELM 제어는 현존하는 전 세계 토카막형 핵융합 장치가 당면한 시급 문제로, 특히 국제 공동으로 개발하고 있는 ITER장치를 비롯해 향후 핵융합로의 안정적 운전을 위해 반드시 개발되어야 하는 기술입니다.

국가핵융합연구소는 이번 KSTAR 실험을 통해 간단한 자장섭동으로도 ELM 완화 효과를 얻음에 따라 이를 ITER와 같은 핵융합로에서 ELM현상 해결을 위한 방법으로 적용할 수 있음을 확인했습니다.

KSTAR 2011 Long-Pulse 운전 및 연장된 H-모드

□ KSTAR는 또한 지난해 H-모드의 첫 달성에 이어 올해 향상된 고성능 플라즈마 제어 기술을 이용하여 H-모드를 최대 5.2초 까지 안정적으로 연장, 유지했습니다.

플라즈마 전류는 600kA(최고 1MA), 지속시간 약 8초(최장 약 12.4초)를 기록했습니다.

KSTAR 운전에 따른 연도별 플라즈마 파형 비교

관련 글 KSTAR, 세계 최초 H-모드 성공<http://daedeokvalley.tistory.com/6>


 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 한 이후 핵융합 상용화 기술 개발을 위해 본격 연구 단계에 들어선 연구시설.

경계면불안정 현상(Edge Localized Mode : ELM) :
토카막형 고온 플라즈마 경계 면에서의 큰 압력 변화로 인해 발생하는 불안정 (instability) 현상의 하나로서 1980년대 독일의 ASDEX 장치에서 처음 발견되었음. ELM 발생 시 플라즈마 내부의 많은 에너지가 밖으로 유출되면서 토카막 장치의 가둠 성능이 저하되며 유출된 에너지는 토카막 내벽에 큰 손상을 줄 수 있기 때문에 ELM은 ITER 핵융합장치의 안정적인 운전을 위해 반드시 제어되어야 하는 현상으로 인식되어 현재까지 전 세계의 모든 주요 핵융합장치에서 그 발생 메커니즘 및 제어 방법 등이 연구되고 있음.

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

H-모드(High-confinement Mode) :
토카막형 핵융합장치의 운전에 있어 특정 조건 하에서 플라즈마 밀폐성능이 약 2배로 증가하는 현상으로서, 1982년 독일의 ASDEX 장치에서 처음 측정되어 알려졌으며, 이는 핵융합 장치의 우수한 운전 성능을 대표한다. ITER장치 또한 H모드로 운전하도록 계획되어 있으며, 초전도 핵융합장치에서의 H모드는 지난해 KSTAR에서 처음 달성하였음.
 
국제핵융합실험로 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) :
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