그림 1. KSTAR 장치 개념설계도.
이 경 수
머리말
지구상 모든 생명의 에너지 공급원인 태양은 매초 4조와트의 백조배(4×1026와트)에 이르는 에너지를 핵융합 반응에 의해 방출하고 있다. 이 에너지량은 현재 지구상에서 생산되고 있는 총 전력량의 일조배 이상이나 되는 막대한 양의 에너지이다. 이와 같이 모든 우주 만물의 에너지원인 항성들 내부에서는 가벼운 원소들의 핵융합 반응에 의해 막대한 에너지가 발생되고 있다는 과학적 사실은 1930년대에 알려지기 시작했다. 이러한 과학적 사실에 대한 이해는 과학자들로 하여금 인공적인 핵융합 반응의 실현을 추구하게 하였고, 1950년대 초반에 이르러 미국의 핵물리학자인 텔러 박사, 소련의 핵물리학자인 사하로프 박사의 주도하에 양국에서 비밀리에 핵융합 반응을 응용한 수소폭탄 개발 계획이 진행되었다.
이와 함께, 핵융합에 의해 발생되는 막대한 에너지 자원의 평화적인 이용 계획도 착수되어 인공태양계획이라 불리는 제어 핵융합 에너지 개발도 같은 시기에 시작되었다. 이러한 핵융합 에너지개발은 화석에너지의 고갈문제 해결과 폐기물 등 환경문제를 유발치 않아 깨끗하고, 또 대형 방사능 유출사고가 없어 안전하면서도, 다른 대체 에너지원과는 달리 고밀도 대용량의 무한한 에너지 개발 가능성을 가지고 있다. 이와 같이 "꿈의 에너지"라고까지 불리는 인류 역사상 최대의 과학적 도전이 핵융합에너지 개발계획으로 시작되었다.
이러한 핵융합 에너지 발생의 원리는 수소의 동위원소들과 같은 가벼운 원소들의 핵이 초고온 플라즈마 상태에서 서로 결합하여 헬륨과 같은 좀 더 무거운 원소의 핵을 형성하는 과정에서 질량 결손에 의한 에너지가 입자들의 운동에너지로 방출되는 것인데, 이를 제어된 방법에 의해 에너지화 하려는 것이 핵융합 에너지 개발의 목표이다.[1]
핵융합 연구의 성과와 전망
핵융합 연구는 초기의 예상과는 달리 자기장 속에 가둔 초고온 플라즈마의 불안정성 때문에 많은 어려움을 겪었고 이를 극복하기 위해 요구되는 높은 기술수준으로 인해 지속적인 연구에 비해 발전의 속도가 느렸으나, 1968년 소련 과학자들에 의해 토카막 장치를 이용한 천만도 고온에서의 안정된 플라즈마 밀폐 결과가 발표되어 핵융합 연구 활성화에 크게 기여하였다.[2] 이에 따라, 1970년대에 들어와서는 토카막 장치에 의한 핵융합 연구는 괄목할 만큼 발전하기 시작하였고, 1970년대 중반에 있었던 아랍권 국가들의 석유수출 금지 조치의 결과로 석유가격 인상 등이 전세계적으로 전파되면서, 이에 대응하는 세계적 노력의 한 방법으로 선진국들에 의해 본격적인 핵융합 에너지 개발이 시작되었다. 이에 따라 현재 세계 3대 핵융합 실험장치로 불리는 미국의 {토카막 핵융합 실험로(TFTR)}, 유럽연합의 {유럽 공동연구 토러스(JET)}와 일본의 {JT-60U 토카막} 등과 같은 대형 토카막형 핵융합 실험시설이 건설되고 1980년대 초반에 실험이 시작되어 핵융합 연구의 획기적인 발전을 가져오게 되었다.
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Parameters |
Remarks |
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Major Radius, Minor Radius, Toroidal Field, Plasma Current, Elongation, Triangularity, |
R0 a BT0 IP κ Մ |
1.8 meter 0.5 meter 3.5 Tesla 2.0 MA 2.0 0.8 |
Nb3Sn, NbTi
Double-null |
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Pulse Length Heating & Current Drive
Plasma Species |
20 sec≤tpulse≤300 sec NBI ICRH/FWCD, LHCD, ECRH H / D |
Current Drive
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그림 1. KSTAR 장치 개념설계도.
1970년대 후반부터 본격적으로 진행된 핵융합 연구의 괄목할만한 발전과 최근의 연구성과들은 정량적 수치로 비교해 보면 빠른 성장을 보여주고 있으나, 세계 3대 토카막 건설이후 세계적인 석유가격의 안정과 선진국의 연구 재정 형편으로 근 20년간 다음단계의 핵융합 장치 개발에 대한 투자가 이루어지지 못하여, 당초 핵융합 에너지 개발 목표 달성이 지연되었고 이로 인해 핵융합 연구의 발전이 느리다는 비판이 있어 왔으나, 이는 연구결과들을 자세히 알고 보면 사실이 아님을 알 수 있다.
그러나, 핵융합 에너지의 상용화를 위해서는 지금까지의 연구결과를 바탕으로 하여 넘어야만 할 과제들이 아직도 남아있는데, 그 중에서도 가장 중요한 것은 핵융합 에너지 개발의 과학적 최종목표인 점화상태(ignition)의 달성인데 이 때에는 핵융합 반응으로 방출되는 에너지가 충분하여 외부에서 추가되는 가열 없이도 핵융합 반응이 지속되는 상태에 도달하는 것이다. 이러한 과학적 목표달성과 함께 상용로로서 필수조건인 플라즈마의 안정성, 정상상태하의 지속적인 핵융합 반응 목표의 달성과 현재보다 출력 밀도를 높여 핵융합로의 경제성을 확보하는 것이 앞으로 풀어야할 과제들이다. 이를 위해서는 대형 초전도 자석의 개발과 비유도 방식에 의한 전류구동 기술의 개발이 필요하고, 발생되는 높은 고열을 견디기 위한 초고온 재료와 발생되는 중성자들에 의한 방사화를 최소화하기 위한 금속재료의 개발이 요구되고 있어, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
지금까지의 핵융합 연구결과와 다양한 관련 기술개발을 바탕으로 하여, 핵융합 기술의 종합적인 실증을 목표로 한 {국제 열 핵융합 실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor: 약자로 ITER라 부름)} 장치의 개발을 국제 원자력기구(IAEA)의 지원 하에 미국, 유럽연합, 일본, 러시아(구 소련)의 공동협력 과제로 1988년 개념설계를 시작으로 하여 1998년 현재 상세설계를 완성하고 2010년경에는 150만 kW 이상의 핵융합 에너지가 1,000초이상 지속되는 핵융합 연구의 최종 실험장치 건설을 추진하고 있다.[3]
현재까지 핵융합 연구의 주축을 이루어온 토카막형 장치개발과는 별도로 유도 기전력에 의한 플라즈마 전류구동이 필요하지 않아서 정상상태 운전이 용이한 밀폐방식인 헬리컬형 장치의 개발도 적극적으로 추진되고 있는데, 일본에서는 1989년 문부성 산하에 대학 공동연구 기관인 국립 핵융합 과학연구소를 설립하고 초전도 자석을 채택한 대형 헬리컬 장치인 Large Helical Device 개발에 착수하여 금년 3월에 정상가동을 성공적으로 달성하였으며,[4] 독일의 Max-Planck 플라즈마 물리연구소에서도 초전도 자석형의 스텔러레이터인 Wendelstein7-X 장치의 개발에 착수하여 구 동독 지역인 Greifswald에 2005년 완공을 목표로 건설을 추진 중에 있다.[5]
본고에서는 현재 국가 핵융합 연구개발 사업으로 수행되고 있는 KSTAR 프로젝트에 관한 내용을 기술하기 위하여 플라즈마와 핵융합 연구에 관한 전반적인 내용은 생략하였으므로 물리학과 첨단기술의 1997년도 5월호에 게재된 플라즈마 특집호를 참고하기를 바라며,[6] 토카막 장치를 통한 핵융합 연구의 발전은 본 KSTAR 특집호의 R. Goldston 교수의 원고를 참고하면 더 자세한 내용을 알 수 있을 것으로 본다.[7]
KSTAR 프로젝트 현황
1. 사업의 개요
우리 나라의 본격적인 핵융합 연구개발 사업은 1995년말{국가 핵융합 연구개발위원회}에서 성안되어 정부의 승인을 거쳐 확정·시행된 {국가 핵융합 연구개발 기본계획}의 첫단계로 선도기술개발사업(G7사업)으로 착수된 {차세대 초전도 핵융합 연구장치 개발사업}에서 시작되었다고 할 수 있다.
국가 핵융합 연구개발 사업은 {국가 핵융합 연구개발 기본계획}에 정의된 대로 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 장치로 이름 지어진 차세대 초전도 토카막 장치의 개발·설치와 이 연구장치의 운영을 통한 핵융합 연구와 기술의 확보, 나아가 세계적인 핵융합로 개발에 동등한 자격으로의 참여 등을 중간목표로 하는 3단계 계획으로 수립되어 있으며, 핵융합 발전기술의 상용화 시기까지 이 분야의 기술선진국으로서의 위치를 확립하는 것을 최종 목표로 하고 있다.
그림 2. 핵융합 에너지개발 연표와 KSTAR 장치 성능목표.
이러한 중장기적인 목표의 달성을 위한 첫 단계로 21세기초까지 정상상태 운전이 가능한 세계 수준의 차세대 초전도 토카막 장치를 국제 공동협력체계를 적극적으로 활용하여 국내기술로 건설하는 국가적 사업으로 KSTAR 프로젝트가 수행되고 있다.
이 KSTAR 장치 개발사업은 핵융합로 개발에 필요한 국내 연구개발 역량을 집결시킨 범 국가적 사업으로 추진되어 1996년초 총괄주관기관인 기초과학지원연구소에『핵융합 연구개발 사업단』을 개설하고 각 분야별 전문성과 연구개발 실적을 바탕으로 한국원자력연구소, 한국과학기술원, 포항공과대학교, 삼성종합기술원 등이 주관 연구기관으로 선정되었고, 한국표준과학연구원, 한국전기연구소 등 출연연구기관과 서울대학교, 연세대학교, 성균관대학교 등 대학, 삼성전자(주), 한국중공업(주), (주)포스콘 등 산업체를 포함하는 총 25개 기관 300여명의 연구기술 인력이 참여하는 사업으로 3개년간의 제1단계 사업이 수행되고 있다.
이러한 KSTAR 프로젝트의 단계별 추진일정은 2002년까지 핵융합 연구장치를 개발하고 미국, 일본, 유럽연합, 러시아의 주도로 2010년경 장치 건설을 목표로 추진중인『국제 열 핵융합 실험로(ITER)』장치의 본격 가동 시까지 장치 운영을 통한 본격적인 핵융합 연구수행을 하는 것으로, 여기서 핵심이 되는 KSTAR 차세대 초전도 토카막 연구장치의 개발은 약 7년간(1995. 122002. 8)에 걸쳐 총 1,500억원의 연구개발 투자가 계획되어 있으며 국가 핵융합 연구개발 위원회를 중심으로 하는 추진체계에 의해 수행되고 있다.
또한, G7 사업으로 수행되고 있는 KSTAR 장치 개발사업과는 별도로 KSTAR 장치의 설치와 이에 필요한 헬륨 액화시설 및 전원 공급장치 등 특수설비의 건설을 위한 총 6천 5백평 규모의 핵융합 특수실험동 건설사업이 1997년도 착수되어 2001년까지 5개년간 총 695억원이 투자될 계획으로 사업이 수행 중에 있으며, 현재 상세설계가 완료되어 제1단계 토목공사를 완료하였다.
위와 같은 총괄적인 사업 계획에 의해 수행되고 있는 차세대 초전도 토카막 연구장치 개발사업은 현재 제1단계 사업이 수행 중에 있으며, 1995년 12월에 착수되어 1997년 8월까지 제1·2차년도 사업이 완료되었으며, 현재 제1단계 사업의 최종연도인 제3차년도 사업이 진행 중에 있다.
제1단계 기간중 수행된 연구개발 사업의 주요 실적을 보면 KSTAR 장치의 주요 제원을 구체화하는 개념정의를 확립하였고, 이 설계기준에 따라 장치의 개념설계와 기본설계 작업을 수행하여 장치 설계의 주요 단계인 장치 개념설계 검증·평가와 KSTAR 주장치 기본설계 및 부대장치 기본설계 검증·평가를 각 분야별로 세계적인 전문가들이 참여한 국제 검증·평가 위원회를 3차에 걸쳐 개최하여 목표한 설계 마일스톤 모두를 성공리에 완료하였다.
그림 3. KSTAR 주장치 중 초전도자석과 진공용기 부분설계도.
이러한 장치의 개념설계와 기본설계와 병행하여 제1단계 기간 중에는 초전도 자석계통과 이들 초전도 자석들에 전원을 공급하는 전원제어 계통으로 구성되는 KSTAR 주장치 개발 R&D가 수행되었으며, 플라즈마 가열장치들과 진단장치들로 구성되는 KSTAR 부대장치개발 R&D도 수행되었다.
2. KSTAR 주장치 개발 현황
KSTAR 토카막 주장치는 대형 초고진공 용기, cryostat 극저온 용기, 초고온 플라즈마 대향장치와 진공배기계 및 연료주입계로 구성되는 진공계통, 대형의 D-형상을 가지는 DC형 초전도 자석인 toroidal 자석과 AC형 초전도 자석인 poloidal 자석 등으로 구성되는 초전도 자석계통과 이들 초전도 자석들에 전원을 공급하며 초전도 자석의 quench로부터 자석을 보호하는 전원제어 계통으로 구성되어 개발·제작된다.
먼저 KSTAR 진공계통의 개발을 위해 진공용기와 cryostat 등의 기본설계가 완료되었고, 이와 함께 상세한 응력 해석과 전자기적 해석이 수행되었으며, 장치제작 기술 확보와 검증을 위하여 진공용기의 90˚sector를 장치개발에 참여한 한국중공업에서 제작 중에 있다.
KSTAR 토카막 장치 개발에 있어 가장 핵심이 되는 분야이며 이제까지 토카막에서 달성하지 못하였던 steady-state 운전상태인 300초 이상의 펄스 지속을 위해서는 초전도 자석의 개발이 필수적이다. 이를 위해 ITER 개발계획을 위시해서 이제까지 세계 핵융합 장치 개발의 중요한 연구개발 결과들을 반영하여 현재 최고 성능의 ITER high performance 사양을 만족하는 Nb3Sn 계열의 초전도 선재를 바탕으로 하며 Incoloy 908 사각관 형태의 초전도 관내 연선도체(CICC: cable-in-conduit cable)를 개발하였다.
KSTAR 장치를 위해 개발된 Nb3Sn 초전도 소선의 성능 특성은 그림 4에 표시하였는데, ITER 장치개발에서 정의된 고전류 밀도를 가지는 DC용 초전도 선재 규격인 HP-1 사양과 저교류 손실 특성을 가지는 AC용 초전도 규격인 HP-2 사양을 동시에 만족시키는 선재의 개발과 특성 평가를 성공적으로 달성하였다.
그림 4. 개발된 KSTAR 초전도 선재의 성능.
그림 5. 제작중인 Central Solenoid 용 AC 초전도자석 시작품.
또한, KSTAR 초전도 자석 시스템 중 장치제작에 있어 기술적으로 가장 난이도가 높은 부분인 AC형 초전도 자석인 central solenoid 자석의 제작기술 확보를 위하여 Nb3Sn 선재에 기반을 둔 CIC 도체로 본 장치와 동일 반경을 가지는 모델 코일의 제작을 완료하여 현재 저온 테스트를 수행중이고, 곧 초전도 성능 검증을 수행할 예정으로 있다.
이러한 초전도 자석 개발의 주요 R&D와 함께 초임계 헬륨(supercritical helium)을 이용한 CIC 도체의 강제 유동방식의 냉각 연구와 초전도 접합부(joint)와 단말부(termination)의 시작품을 제작하여 실제 토카막 운전상황하에서의 손실특성에 대한 검증평가도 수행 중에 있다.
이와 함께, 초전도 자석의 운전특성에 맞춘 전원공급 장치의 제작도 KSTAR 주장치 개발과제의 중요분야인데, 이 분야의 개발은 포항 방사광가속기 전원공급장치 개발 경험을 바탕으로 하여 빠른 시간 응답 특성이 필요한 AC형 초전도 자석의 전원공급 시스템과, 초전도 자석의 quench 발생시 초전도 자석을 보호하기 위한 회로를 채택한 10 kA급의 모델 전원공급 장치가 개발·제작되어 central solenoid 모델코일의 테스트에 적용하여 운영되고 있다.
3. KSTAR 부대장치 개발 현황
KSTAR 장치는 토카막 주장치 이외에도 플라즈마를 가열하기 위한 가열장치들과 핵융합 플라즈마의 온도, 밀도, 전류분포 등을 측정하고 플라즈마를 제어하기 위한 진단장치들로 구성되는 부대장치들이 개발·제작된다.
먼저 플라즈마 가열과 비유도성 전류구동을 담당하게될 시스템들은 중성입자빔 입사형 가열장치(neutral beam injection), RF파를 이용하는 ICRH(ion cyclotron resonance heating)과 마이크로파를 이용하는 LHCD(lower hybrid current drive)로 구분할 수 있다. 이중에서 이온가열과 플라즈마 연료공급을 담당하여 토카막 플라즈마의 주 가열원으로 활용될 중성입자빔 가열장치 개발을 위해 이 장치의 주요부분인 120 kV, 65 A급의 이온원 개발이 수행되고 있으며, 현재 3개의 빔라인으로 구성되는 8 MW급 NBI 가열장치의 설계가 진행되었으며 이온원 시작품이 제작되고 있다.
그림 6. KSTAR 부대장치 중 가열 및 진단장치 배치설계도.
또, RF파 가열장치인 ICRH 시스템은 이온가열과 플라즈마 중심부 전류구동을 위해 25∼60 MHz 주파수 대역에서 6 MW급으로 설계되고 있으며, 이 장치의 주요부분인 안테나, 공명루프 및 정합회로 등의 개발이 수행되고 있다.
이와 함께 마이크로파 가열장치인 LHCD 시스템은 플라즈마 외곽부 전류구동을 위해 3.7 GHz 주파수 대역에서 1.5 MW급 가열장치가 설계 중에 있으며, 이 장치 제작을 위해 필요한 부품의 개발에 착수하였다.
이러한 가열장치와 함께 KSTAR 부대장치를 구성하는 주요 시스템으로 진단장치들이 있는데 이를 위해서는 전자기, 진공, 분광, 레이저 산란, 입자산란 등 다양한 물리학 분야와 첨단계측 기술들을 동원하는 다수의 장치를 개발·제작하여야 한다.
이러한 장치들은 KSTAR 토카막 장치의 운전과 제어 등 가장 기본적인 임무의 수행뿐만이 아니라 장치의 성능을 평가하고 최적화하며 초고온 핵융합 플라즈마에서 일어나는 중요한 물리적 현상의 자료를 연구자에게 제공하는 수단으로써, 장치 제작단계 이후 운영단계에서도 단계별 실험목표와 성능향상 계획에 따라 지속적으로 개발과 제작이 진행되어야만 할 시스템들이다. KSTAR 진단계통의 설계와 개발은 처음 운전에 착수할 때 필요한 기초 진단계, 본격적인 초고온 핵융합 플라즈마 실험에 사용될 기본 진단계와 정상상태 운전 및 플라즈마 형상제어에 필요한 고급 진단계로 분류하여 필요 우선 순위에 따라 설계가 단계적으로 진행되고 있으며, 이 장치 개발과 제작에 필요한 R&D도 병행하여 수행되고 있다.
이 진단시스템은 특성과 종류가 다양한 관계로 자세한 내용은 '97년도 플라즈마 특집호에 게재된 세부 내용을 참고하였으면 한다.[8]
맺는말
앞장에서 기술한 바와 같이 현재 KSTAR 프로젝트는 3년여에 걸친 제1단계 사업의 종료를 눈앞에 두고 있으며, '95년말 사업착수 당시 계획되었던 목표들인 KSTAR 개념설계, 주장치 기본설계와 부대장치 기본설계 등의 프로젝트 주요 마일스톤들을 핵융합 연구와 장치 개발의 세계적 전문가단으로 구성된 검증평가위원회를 개최하여 성공리에 달성하였으며, 장치 제작을 위해 필수적으로 확보해야만할 기반기술 R&D를 차질 없이 수행하였다. 이 연구개발의 결과들을 바탕으로 하며 KSTAR 프로젝트는 실질적인 장치 제작 및 최종 조립과 통합을 목표로 하는 제2단계 사업의 착수를 준비중에 있는데 2002년 후반까지 지속될 사업기간중 KSTAR 장치의 국내 개발과 제작을 위한 연구개발 전략의 최적화와 국내 연구개발 투자와 역량을 총 집결하여 KSTAR 차세대 초전도 핵융합 연구장치를 우리의 손으로 성공리에 건설하고자 한다. 뿐만 아니라, KSTAR 장치의 성공적인 건설과 정상가동을 달성한 이후에도 당초 계획되고 설계된 장치성능 목표를 달성하여 이 장치의 운영을 통하여 우리 나라도 세계 수준의 핵융합 연구를 수행할 수 있는 능력을 확보하고 나아가 미국, 일본, 유럽연합, 러시아 등 세계 핵융합 선진국과 동등한 수준의 연구결과를 창출할 것으로 기대하고 있으며, 21세기 중반으로 예상되는 핵융합 발전의 상용화 시기가 도달하기 전에 우리 나라 독자의 기술로 핵융합로 건설을 달성할 수 있는 기술을 확보할 수 있으리라 기대하고 있다. 이와 함께, KSTAR 장치의 개발과 장치 건설의 초기부터 국내 산업체의 참여가 활성화되어 이 프로젝트를 통하여 대형 초전도 자석기술, 초고진공 기술, 초고온 특수소재 기술, 극저온 기술, 고전류 이온원기술, 대출력 고주파기술 등 21세기를 주도할 첨단극한 기술들을 국내 산업체에 체화하여 산업화할 수 있는 기회가 마련될 것으로 기대하고 있으며, 이 프로젝트에 참여한 대학, 연구소와 산업체 연구개발 인력에 의해 우리 나라 기초과학, 특히 물리학 연구의 발전에 필수적으로 요구되는 첨단 연구장치들의 국내 개발·제작 기반을 만드는데도 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.
마지막으로 이 글을 통하여 국가 핵융합 연구개발 사업으로 추진되고 있는 KSTAR 장치개발 사업의 배경과 제1단계 3개년간의 현황이 독자들에게 얼마간 전달되었기를 바라며, 이 프로젝트에 참여하여 최선의 노력을 기울이고 있는 프로젝트팀을 대신하여 KSTAR 프로젝트의 성공적인 목표달성을 위하여 성원과 관심을 가져주시기를 부탁드리고자 한다.
감사의 글
이 글은 KSTAR 프로젝트의 각 분야별 주관책임자로 수고하고 계시는 한국과학기술원의 장충석 교수님과 장홍영 교수님, 기초과학지원연구소의 김진춘 박사님과 황순모 박사님, 포항공과대학교의 조무현 교수님, 한국원자력연구소의 최병호 박사님과 삼성종합기술원의 김기만 박사님의 도움을 받아 정리된 것으로 도움을 주신 모든 KSTAR 프로젝트 참여진에게 감사를 드립니다.
참 고 문 헌
[1] R. Herman, Fusion: The Search for Endless Energy (Cambridge University Press, 1990).
[2] J. Wesson, Tokamaks 2nd ed. (Clarendon Press, 1997).
[3] R. Aymar, 물리학과 첨단기술 7(5), 12 (1998).
[4] A. Iiyoshi, 물리학과 첨단기술 7(5), 17 (1998).
[5] F. Wagner, 물리학과 첨단기술 7(5), 24 (1998).
[6] 김진춘, 물리학과 첨단기술 6(3), 2 (1997).
[7] R. Goldston, 물리학과 첨단기술 7(5), 7 (1998).
[8] 황순모, 물리학과 첨단기술 6(3), 42 (1997).
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이경수 박사는 미국 University of Texas at Austin의 물리학과에서 박사학위를 취득한 후 Oak Ridge 국립연구소, MIT대학 Plasma Fusion Center 등에서 플라즈마와 핵융합 연구를 해왔으며, 현재 기초과학지원연구소 핵융합 연구개발 사업단에서 KSTAR 프로젝트 총괄 연구책임자로 재직중이다.
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