한국의 핵융합 인공태양 KSTAR, 세계 최고를 향해

우리나라 핵융합장치인 KSTAR가 초전도 핵융합장치로서는 세계 최초로 고성능 플라즈마 밀폐 상태인 H-모드를 달성했습니다.

핵융합연구소는 또 지난 9월부터 약 2개월간 국내외 공동실험으로 진행되어 온 KSTAR의 핵융합플라즈마 실험을 통해 H-모드 달성 이외에도 고성능 플라즈마 즈마 제어기술을 적용하여 D형 플라즈마 제어를 달성하는 등 당초의 목표성능 이상의 성과를 이뤘습니다.

D형 플라즈마는 고성능 플라즈마를 발생․유지 시킬 수 있는 조건으로 H-모드 운전을 위해 필요한 플라즈마 형태입니다.

KSTAR의 플라즈마 성능으로서 플라즈마 전류는 2009년 300kA급 3초 유지였는데요.
올해는 최고 약 720 kA의 플라즈마 전류로 최장 약 6.7초의 안정적인 운전을 달성했습니다.

KSTAR 운전에 따른 연도별 플라즈마 전류의 크기변화

또한 플라즈마를 가두는 초전도자석의 제어와 더불어 진공용기 내에 새롭게 설치된 고속 제어코일을 활용한 플라즈마 정밀 제어를 통해 토카막 플라즈마의 가장 안정된 형태인 D자형으로 형상을 제어하는 데에도 성공했다.

더불어 국내기술력으로 제작한 플라즈마 가열장치인 중성입자빔 가열장치(NBI)의 첫 가동을 통해 약 1.4 MW급의 중성입자빔을 플라즈마에 입사해 이온 온도를 2천만도(2 keV)까지 올림으로써 중수소 핵융합 반응에 의한 고속 중성자(2.45 MeV)를 검출했습니다.
 

□ D형 플라즈마 제어 달성

o 2009년도까지는 원형 플라즈마 발생

o 2010년도에는 초전도자석을 사용한 형상제어와 진공용기 내 고속제어 코일을 사용한 위치제어를 통해 D자형 플라즈마 제어 달성.

진공용기 내 발생한 D형의 플라즈마 형상

진공용기 내부 형상

 

□ 고성능 플라즈마인 H-모드 달성

o 플라즈마 운전에 있어서 D자형으로의 형상제어와 더불어 일정 출력수준이상의 가열장치를 가동한 결과 동일한 환경 하에서 플라즈마 밀도와 온도가 약 2배 증가되는 현상을 H-모드라고 함.

H-모드에서의 플라즈마 압력의 분포. 주로 플라즈마 경계면에서 압력변화가 크다.

o 2010년도 운전결과 일정 조건 하에서 플라즈마 밀도, 온도 등이 급격히 증가하고 내부 저장에너지가 증가하는 H-모드가 발생함.  

KSTAR운전 중 약 2초 무렵에 H 모드가 발생에 따른 진단데이터의 변화

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)  미래 녹색에너지인 핵융합에너지의 개발을 위해 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합장치로 세계 최초로 ITER와 동일한 초전도 재료로 제작되었으며, ’95년부터 ’07년까지(약12년간) 주장치 완공 후, ’08년 최초플라즈마 발생에 성공하여 장치성능을 입증하고 본격가동 단계에 진입한 연구시설

H-모드(High-confinement Mode)는 토카막형 핵융합장치의 운전에 있어 특정 조건하에서 플라즈마 밀폐성능이 약 2배로 증가하는 현상입니다.
1982년 독일의 ASDEX 장치에서 처음 측정된 후 핵융합 장치의 우수한 운전 성능을 대표하게 됐는데요.
프랑스에 건설 중인 국제 협력 핵융압로인 ITER 역시 H-모드로 운전하도록 계획돼 잇습니다.
그런데 우리나라의 KSTAR가 초전도 핵융합장치로서는 세계 최초로 H-모드를 이룬 것입니다.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)는 핵융합에너지 상용화의 최종 과학적․기술적 실증을 위하여 우리나라를 비롯하여 EU, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 7개국이 공동으로 핵융합로를 건설하고 운영하는 국제 협력 프로젝트입니다.