우리얘기

ITER

국가핵융합연구소 ITER한국사업단이 우리나라를 포함해 세계 선진 7개국이 공동 수행하고 있는 ITER(국제핵융합실험로) 핵심품목인 진공용기 본체 제작에 본격 착수했습니다.

진공용기는 핵융합 장치의 가장 안쪽에 위치해 핵융합 반응이 일어나 초고온 플라즈마가 생성되는 공간으로, ITER 건설을 위해 우리나라와 유럽연합이 공동으로 조달하는 핵심 품목입니다.

이번 제작에는 KSTAR(한국형핵융합로) 진공용기 제작에 참여했던 현대중공업이 참여합니다.

현대중공업은 최근 ITER 진공용기 본체 제작 착수를 위한 Mock-up을 제작해 전반의 핵심기술을 확보했고, 그 결과 진공용기의 공동조달국인 유럽보다 먼저 본체 제작에 들어가게 됐습니다.

ITER 진공용기는 최종 완성 시 총 무게 5000톤, 전체 높이 11.3m, 외경 약 20m에 달하는 거대 구조물임에도, 제작 및 설치 과정에서는 오차 10mm 이하의 고도 정밀도를 요하는 고난이도 기술을 필요로 합니다.

ITER 진공용기 본체 제작을 위한 원자재 절단 작업

ITER 진공용기의 제작을 위해 현대중공업에서 사전 제작한 모형물 일부

<국제핵융합실험로(ITER) 사업 개요> □ 목적  ○ 핵융합 반응을 통한 대용량 전기 생산의 가능성을 실증하기 위해 한국, 미국, EU, 일본 등 7개국이 공동으로 ITER 건설 운영에 참여  ○ '40년대 상용 핵융합발전소의 국내 건설을 목표로 핵융합에너지 상용화에 대비한 원천기술 확보 및 핵심인력 양성      ※ ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) : 한국, 미국, EU, 일본, 중국, 러시아, 인도 7개국이 공동으로 건설하는 핵융합실험로 □ 추진경과  ○ '06.11.21  ITER 공동이행협정 및 특권 면제협정 서명 (파리)  ○ '07. 4.  ITER 공동이행협정 국회비준 동의 (제266회 임시국회)  ○ '07. 9.  ITER 사업 국내전담기관 지정 (과기부 고시 제2007-17호)  ○ '07.12.  ITER 공동개발사업 처리규정 제정 (과기부 훈령 제 256호) □ 주요 내용  ○ ITER 조달을 위한 사업관리 및 운영    - 우리나라에 할당된 핵융합 핵심기술 관련 9개 조달품목에 대하여 국내 산업체를 통한 적기 제작 및 납품      ※ 9개 조달품목 : 초전도도체, 진공용기 본체 및 포트, 블랑켓차폐블록, 조립장비류, 열차폐체, 삼중수소 저장 공급시스템, 전원공급장치, 진단장치    - 우리나라 조달품목의 적기 조달을 위한 사업관리시스템 구축?운영 및 ITER 기구와의 협력체제 강화  ○ ITER 기술 확보 및 국내 핵융합에너지 개발에 필요한 전문인력양성    - ITER 기구에 지속적인 인력 파견 및 국내 핵융합기초연구인력 양성  ○ 핵융합 상용화 기술 확보를 위한 핵심기술 연구?개발    - ITER 건설?운영 및 실증실험을 통해 첨단 핵융합장치 제작?운전기술 습득 및 핵융합 원천기술 확보

<ITER 진공용기 본체 설명자료> □ 기 능   ○ ITER 진공용기는 본체와 포트로 구성되며 전체적으로는 토러스 형상을   이루면서 D형 단면의 이중 격벽 진공 구조물임    - 핵융합 플라즈마 발생을 위한 초고진공 환경제공 및 저장 공간    - 핵융합 연료 물질인 삼중수소 등 방사성물질에 대한 1차 방호벽    - 플라즈마 방사열 차폐 및 중성자 차폐    - 가열, 진단, 진공배기 및 원격유지보수 장비설치 및 이동통로 제공  □ 제 원   ○ ITER 진공용기는 최종 완성 시 총 무게가 약 5,000 톤, 전체 높이 11.3 미터, 외경이 약 20 미터에 달하는 거대 구조물이지만, 제작 및 설치 과정에서 10 밀리미터 이하의 고도 정밀도를 요함 ITER 진공용기는 9개의 40° 섹터로 제작되어 현장에서 조립하게 됨   ○ 우리나라 조달내역     -  2개의 40도 섹터(무게 : 약 400톤, 높이 : 11.3m, 폭 : 6.4m)     -  참여률 : 21.1%(EU 78.9%) ITER        ※ ITER 진공용기 본체는 유치국인 프랑스의 원자력 규제요건에 따른 인허가 대상 품목임    - PED, ESPN 등의 유럽 압력용기 규제요건 준수 필요    - 진공용기는 프랑스의 RCC-MR 2007 Code에 따라 설계 및 제작이 진행됨    - 프랑스 규제당국이 인정하는 공인검사기관  (ANB : Agreed Notified Body)이 설계, 제작 과정에 직접 참여함 □ 주요 추진 현황 및 실적   ○ 2008년 11월 : ITER 국제기구 - 핵융합(연) 간 조달약정 체절   ○ 2010년 1월 : 핵융합(연) - 현대중공업 간 조달계약 체결                   제작성 검증을 위한 목업 제작 착수   ○ 2010년 11월 : ITER 국제기구로부터 기본설계도 접수   ○ 2011년 10월 : 제작 착수를 위한 Kick-off Meeting (KOM)   ○ 2011년 12월 : 현대중공업으로부터 제작설계도 작성 완료   ○ 2012년 1월 : 원자재 1차분 현대중공업 입고   ○ 2012년 2월 : 원자재 마킹 및 절단 시작                   (부산워터젯: 현대중공업 협력업체)   ○ 2012년 2월 : 프랑스 원자력 규제감시 대행 기관인 ANB 전문가                  초빙 (현대중공업) 및 본격적인 제작을 위한 기술자문

미래 에너지 기술인 핵융합에너지 개발 방식은 크게 토카막 형태의 자기 밀폐 핵융합과 레이저 핵융합이 있습니다.

우리나라는 국가핵융합연구소에서 운용중인 KSTAR를 이용한 자기 밀폐 핵융합을 중심으로 연구가 진행되고 있습니다.

레이저 핵융합은 영화 '체인리액션'의 소재로 등장합니다.

반드시 그런 것은 아니지만 자기 밀폐 핵융합은 순수 에너지 발생을 위해 연구되는 반면 레이저 핵융합은 미국 등에서 군사적 목적으로 진행되는 경우가 많습니다. 

한국원자력연구원이 자기 밀폐 핵융합과 레이저 관성 핵융합 등 핵융합의 두가지 방식에 관해 중국과 공동 연구에 착수했습니다.

연구 과제는 '정상상태 운전을 위한 중성입자빔 입사 시스템의 빔 수송에 관한 공동 연구'와 '레이저 관성 핵융합을 위한 고밀도 플라즈마 및 정밀 계측 기술협력 연구' 입니다.

□ 자기 밀폐 방식 핵융합 기술 개발을 위한 '정상상태 운전을 위한 중성입자빔 입사 시스템의 빔 수송에 관한 공동 연구' 과제는 한국원자력연구원 핵융합공학기술개발센터 장두희 박사가 중국 허페이과학원 플라즈마물리연구소 허췬동(Hu Chundong) 박사와 공동 연구를 진행합니다.

자기 밀폐 핵융합은 1억 ℃ 이상의 고온에서 플라즈마로 변한 중수소와 삼중수소를 토카막 자기장을 이용해서 밀폐시켜 핵융합 반응을 지속시키는 핵융합 방식입니다.

이 때 토카막 내부의 온도를 높이는 중성입자빔 입사(NBI; Neutron Beam Injection) 시스템은 수소 양이온 입자들을 높은 전압을 이용해서 빠른 속도로 가속한 뒤 중성화시켜서 핵융합 장치 내부의 플라즈마에 충돌시킴으로써 핵융합이 가능한 섭씨 1억 ℃ 이상까지 온도를 끌어올리기 위한 보조 가열장치 중 하나입니다.

자기 밀폐 핵융합 연구장치로 우리나라는 국가핵융합연구소가 KSTAR를 운영 중이고 중국은 EAST를 운영 중입니다.

한국원자력연구원은 KSTAR용 NBI를 순수 국내 기술로 개발, 지난 2007년 1.6㎿ 빔출력에서 300초 연속 운전에 성공했고, 향후 빔출력을 총 6㎿로 높이는 연구를 할 예정입니다.

중국은 출력 4㎿, 1000초 연속 운전에 도전합니다.

□ '레이저 관성 핵융합을 위한 고밀도 플라즈마 및 정밀 계측기술 협력 연구' 과제는 한국원자력연구원 양자광학연구부 이용주 박사가 중국상해과학원 광학정밀기계연구소 주지안창(Zhu Jianqiang) 박사와 공동 연구를 진행합니다.

중수소와 삼중수소로 이루어진 연료 펠릿에 레이저를 집중시키면 펠릿이 관성에 의해 정지하고 있는 사이에 펠릿 표면에서 주위로 분출하는 플라즈마의 반작용으로 내부 압축이 일어나는데, 압축된 연료에 열핵반응이 생기는 현상을 '레이저 관성 핵융합'이라고 합니다.

한국은 짧은 시간에 강한 에너지를 발생시킬 수 있는 소규모 레이저 장치를 보유하고 있고, 중국은 큰 에너지를 오랜 시간 발생시킬 수 있는 대규모 장치를 보유하고 있습니다.

양국 연구진은 두 장치 기술을 융합해서 고밀도 플라즈마를 제어하는 기술, 플라즈마와 전자의 움직임 등을 측정하는 정밀 계측기술 분야에 대해 서로 협력 연구를 진행할 예정입니다.

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

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.