핵융합 발전, KSTAR

핵융합 발전 KSTAR

 

중국의 핵융합 실험장치인 EAST(핵융합 유도 토카막 실험장치)가 고온 플라스마 상태를 403초간 유지하는 세계 신기록을 달성했다고 몇일 전 보도되었습니다. 이와 같은 핵융합로와 초고온 플라즈마 유지 실험은 한국에서도 계속되어 왔습니다. 바로 KSTAR입니다. 이에 대해 살펴보겠습니다. 

 

1. KSTAR

대전 유성구 한국핵융합에너지연구원에는 높이 9.6m, 지름 9.4m 무게 1000t에 달하는 거대 핵융합실험시설 KSTAR가 있습니다. KSATR는 2018년 플라즈마 온도를 1억도로 끌어 올리는 데 성공하였으며, 2020년 20초 연속 운전, 2021년 30초 유지에 성공했습니다. 2026년에 초고온 플라즈마 100초 유지가 목표이며, 2050년 상용화를 목표로 하고 있습니다.

 

이 KSTAR에서 개발하고 증명된 원천 기술들이 핵융합 전력생산의 상용화를 가능하게 할 실증로에 적용될 예정입니다. 이 핵융합 전력생산 실증로는 2022년부터 예비개념 설계에 들어갔습니다.

 

2. 핵융합이란

핵융합은 중수소, 삼중수소와 같은 가벼운 원소의 핵들이 융합, 무거운 원자핵으로 변하면서 에너지를 발생시키는 현상을 말합니다. 태양과 유사한 원리로 '인공태양'이라고 불립니다.

 

우라늄, 플루토늄 등 무거운 원소를 분열시커 에너지를 발생시키는 핵분열을 통한 원자력 발전과는 정 반대의 개념입니다.

 

핵융합은 탄소를 발생시키지 않아 청정에너지로 주목받고 있습니다. 1kg의 핵융합 연료는 1000만kg의 화석 연료와 맞먹는 에너지 생산이 가능하기 때문입니다.

 

3. 1억도의 플라즈마

태양은 자체 질량과 중력으로 초고온 플라즈마 상태를 만들어 낼 수 있지만, 인공태양에서는 초고온 플라즈마를 인공적으로 만들어야 합니다.

 

핵융합 발전을 위해서는 1억도 이상의 플라즈마(원자의 핵과 전자가 분리된 이온 상태)가 필요합니다. 앞서 중국 EAST의 403초의 기록은 1억도 보다 낮은 상태로 진행되었고, 이 때문에 KSTAR와 직접적인 비교는 불가능합니다. 

 

초고온 플라즈마 생산 방식은 토카막형과 레이저를 이용한 방법으로 분류됩니다.  KSTAR는 토카막 핵융합 장치로, 토카막이라는 도넛 모양의 핵융합 장치 안에 강력한 자기장을 발생시키는 초전도 자석을 설치하여 초고온 플라즈마를 가두는 방식입니다.

 

또 핵융합 발전소는 지진 등으로 초고온, 고진공, 고자기장 등의 조건 중 하나라도 벗어나면 초고온 플라즈마는 바로 꺼지게 되며, 원자력 발전소와 같은 발전소 폭발이나 방사능 누출 우려가 적습니다.

 

4. KSTAR 실험동

KSTAR 실험동 모습

KSTAR 실험동은 냉각수 설비와 기체헬륨저장용기, 통합운전제어실, 주장치실 등으로 구성됩니다. KSTAR 주장치실은 축구장의 1/4정도의 규모로 주장치와 헬륨 분배장치, 전자공명가열장치, 중성입자빔가열장치 등이 있습니다. 핵융합의 핵심조건인 1억도의 초고온 플라즈마 운전을 실험하는 곳입니다.

 

KSTAR는 계속 업그레이드 중입니다. 토카막(자기장으로 플라즈마를 담아두는 용기) 하단부를 360도로 둘러 쌓아서 진공용기를 보호하고 불순물 제거를 하는 역할을 하는 디버터(열배출기)를 텅스텐 재지로 교체 중입니다. 텅스텐은 금속중에서 가장 높은 3,422도의 녹는점을 가지고 있습니다. 기계적 강도 및 인장 강도가 다른 금속에 비해 뛰어나고 열 전도도가 높아 냉각수로 열을 식히는 것에 적합한 물질입니다. KSTAR 운전 온도를 끌어올릴 수 있는 핵심 역할을 하는 부품인 것입니다.