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KSTAR

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1. 개요2. 연혁3. 개발 및 건설과정4. 참여기관5. 특징6. 연구성과7. 오해8. 관련 문서

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1. 개요

파일:external/upload.wikimedia.org/KSTAR_tokamak.jpg 파일:attachment/KSTAR/kstar2013.jpg
2007년 완공 후 모습 2013년 모습
2015년 제작된 KSTAR 홍보 영상, 드론을 띄워 촬영한 후 CG를 입힌 영상이다.
Korea Superconducting Tokamak Advanced Research

2007년 대한민국이 독자개발에 성공한 한국형 핵융합 연구로이다. 대전광역시 유성구에 위치한 한국핵융합에너지연구원에 위치하고 있다. 지름 10m[1], 높이 6m의 4,000억 원짜리 도넛형으로 생긴 토카막(Tokamak) 핵융합 실험로이다. 세계최초 완전 초전도 선재[2]를 사용한 토카막 장치라는 의의가 있다. 반응로의 크기는 도너츠 중심원의 직경이 1.8 미터, 도너츠 단면의 직경은 0.5 미터이다. KSTAR의 콘크리트 벽의 두께는 무려 1.5m로써, 아파트 3000가구를 지을 수 있는 시멘트가 사용되었다. 1995년에 개발에 착수하여 2007년에 개발이 완료되었다.

2008년에 첫 플라즈마 발생을 시작했고 최대 주입에너지는 14 MW, 플라즈마 전류는 2 MA 이다. 자기장의 강도는 3.5 테슬라이다. 2017년에 온도 7천만 켈빈의 수소 플라즈마를 72초 동안 유지하였다. 앞으로 300초 유지를 목표로 연구중이다. 최대온도나 투입에너지 대비 생성 에너지 비율인 융합 에너지 이득계수(Q ratio)는 세계의 다른 실험로에 뒤지지만 주로 플라즈마를 장시간 안정적으로 유지하는 연구에서 앞서가고 있다. Q 값은 아직은 세계최고가 1.25 정도이고 ITER 의 목표가 10, 실제 상업적 발전소에는 20 정도가 필요할 것으로 추정된다.

2. 연혁


3. 개발 및 건설과정

1960년대부터 서울대학교 원자핵공학과와 물리학과에서 플라즈마에 대한 연구를 면면히 진행해온 이래, 1970년대까지 플라즈마 발생장치나 플라즈마 발생에 대한 연구가 간헐적으로 이어져오고 있었다. 그렇게 열악한 환경 속에서 이어져 오던 중 서울대학교에서 1979년에 Seoul National University Tokamak의 머리글자를 따 SNUT-79라고 명명된 토카막 장치의 개념설계와 공학설계를 마치고 진공용기 가공과 주장치를 제작해 1985년에 국내 최초로 플라즈마를 발생시키는 쾌거를 얻는다. 이후 SNUT-79를 이용해 1989년까지 수소 플라즈마 저항가열 실험, 단열자장 압축기초 실험, 플라즈마 온도 측정진단, 중성빔입사 장치 설계제작 연구를 수행했으며, 이 과정에서 다양한 플라즈마 응용장치들이 연구되었고 자기 가둠 플라즈마의 평형, 불안정성, 수송, 가열 및 전류구동, 경계 플라즈마 등과 관련된 현상을 해석하고 장치설계 자료를 산출하여 국내 핵융합 연구에 크게 기여했다.

한국원자력연구소(KAERI)에서는 1970년대 말부터 핵융합 연구에 대한 연구개발을 시작하여, 1980년 핵물리부 산하에 '입자가속기 및 핵융합연구실'을 신설하고 1981년 토카막의 설계 작업에 착수했다. 주반경 27cm, 부반경 5cm 크기의 소형 토카막은 KT-1(KAERI Tokamak-1)으로 명명되었으며, 당시 제작에 참여한 연구원들 중에는 대학원 시절 SNUT-79를 제작했던 인력들도 포함되어 있었다. 크기가 테이블에 올려놓을 만큼 작았기 때문에 연구원들은 KT-1을 토이막(Toy-mak)이라고 부르기도 했다고.

1988년에는 한국핵융합에너지연구원의 모태가 되는 기초과학연구지원센터가 설립되면서 플라즈마 및 핵융합 연구에 새로운 전기가 마련된다. 1989년 11월에 '플라즈마 핵융합 연구 분야'가 대형공동연구장비 중 하나로 선정되고, 국제핵융합실험로(ITER)와도 연결되는 동시에 세계적으로 인정받을 수 있는 연구 결과를 낼 수 있어야 한다는 것으로 의견이 모여, 미국 MIT 핵융합센터에서 개발한 자기거울형 플라즈마 발생장치 TARA를 들여와 다목적 플라즈마 발생장치로 개조하고 한빛이라 이름붙였다. TARA 장치의 해체 및 개조 과정에 동참한 서울대학교와 KAIST 학생들이 '한빛' 운영의 주축이 되었으며, 핵융합 기술의 기초연구 수행의 가능성을 열어주었다는 점에서 큰 의의가 있었다.

본격적으로 핵융합 기술연구에 착수한 것은 1995년부터였다. 1995년 7월 23일, 샌프란시스코 페어몬트호텔 연회장에서 재미동포 과학기술자 200여 명을 초청하여 진행한 간담회에서 김영삼 대통령이 "'꿈의 에너지'라고 불리고 있는 핵융합 기술개발에도 착수할 계획"이라고 밝힌 것이 KSTAR 계획의 시작이었다. 구체적으로는, 1995년부터 2001년까지 정부예산 1200억 원을 투자해 세계적 수준의 핵융합 장치, 후일 KSTAR라고 불리게 되는 초전도 토카막을 건설한다는 것이었다.

당시 국내외 상황은 한국의 핵융합 연구에 힘을 실어주는 방향으로 흘러가고 있었다. 이미 포항 방사광가속기, 기초과학지원연구소의 한빛 다목적 플라즈마 발생장치, 한국원자력연구소의 KT-1 플라즈마 발생장치를 비롯해 KAIST와 서울대 등에서 핵융합 연구가 상당한 진전을 보이고 있었고, 1995년 7월 대덕에서 개최된 국제 핵융합 심포지엄에서 미국, 일본, 러시아 등의 전문가들이 한국의 역할 증대에 대해 심도 있게 논의한 바 있었다. ITER 의장이었던 러시아 벨리코프 박사는 ITER 계획에 한국이 참여하기를 요청했으며 기번스 미 대통령 과학고문도 한국이 이제는 핵융합 연구에 참여할 수 있도록 허용할 것을 클린턴 대통령에게 건의하기도 했다.

이런 흐름 속에서 1995년 12월 29일 국가핵융합연구개발 위원회가 개최되어, 2001년까지 공공자금 1200억 원(정부 900억 원, 한전 300억 원), 민간 300억 원을 투입해 '차세대 초전도 핵융합 연구 장치(KSTAR)'를 개발, 건설하여 세계 4대 수준의 핵융합 장치를 운영하고 핵심 기반 기술을 확보해 나갈 것을 재확인했다. 사업추진 일정은 제1단계(1995년 ~ 1997년): 장치개념 설계 및 기반기술 연구개발, 제2단계(1998년 ~ 2001년): 장치건설, 제3단계(2002 ~ ): 장치 운영으로 토카막 핵융합 장치의 최적 운전기술, 전류구동 및 가열기술과 첨단제어 기술을 세계적인 수준으로 높인다는 목표였다.

그리고 1996년 1월 1일, '국가 핵융합 연구개발 프로젝트'를 전담 수행할 전문조직으로 기초과학지원연구소 내에 '핵융합연구개발사업단'을 신설하고 산하에 3개 연구부와 1개 지원실을 설치, 대형공동연구 프로젝트를 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 프로젝트로 명명했다. 기초과학지원연구소를 중심으로 한국원자력연구소, 한국표준과학연구원, 한국수력원자력, 한국전력공사, KAIST, 포항공대, 삼성기반기술연구소, 한국중공업, 현대중공업, 포스콘, 두산중공업 등 정부줄연연구소와 공기업, 대학, 민간산업체가 공동으로 참여하는 산학연 협력 체제를 마련했으며, 해외 연구기관들과도 협력 체제 구축에 힘을 기울였다. KSTAR와 같은 대형 연구장치는 국내에선 아직 경험이 없었기 때문에, 수십 년 전부터 이런 장치들을 가동한 경험이 있는 핵융합 선진국들의 도움이 필요했기 때문이었다. 이를 위해 해외의 기관별 협력 대상기술을 선정하여 미국의 프린스턴 플라즈마 물리연구소(PPPL), MIT대학, 일본의 핵융합과학연구소(NIFS)와 원자력연구소(JAEA), 영국 컬햄핵융합연구소(UKAEA), 프랑스에 위치한 유럽연합원자력연구소(CEA), 독일의 막스 플랑크 연구소(Max0Plank IPP), 러시아의 쿠르차토프연구소, 중국과학원 소속의 플라즈마물리연구소(ASIPP) 등과 공동협력 체제를 구축하였다.

KSTAR를 건설하기 위해서는 설계도가 필요했다. PPPL의 박현거 박사와 KAIST의 장충석 박사를 중심으로 구성된 십여 명의 국내외 연구원들은 1년간 PPPL에 머물면서 KSTAR 개념설계에 몰두했다. 당시 PPPL에는 거의 완성 단계에서 중단된 TPX(Tokamak Physics Experiment) 장치의 설계도가 있었는데, 연구팀은 이를 모델로 삼아 세계 최초의 완전 초전도 선재 사용 토카막을 디자인했다. TPX와 KSTAR의 가장 큰 차이점은 초전도도체에 있었는데, TPX가 레이스트랙 형태로 설계된 반면 KSTAR는 연구가치가 높은 플라즈마를 만들어내는 것을 목표로 했기 때문에, 고난이도를 요구하는 형태이긴 했지만 플라즈마의 안전성을 최대한 높일 수 있는 D자 형태로 디자인되었다. 또한 최신 물리학 실험 및 이론 연구결과가 새롭게 반영되면서 전체적인 크기와 구조, 코일 수, 재료, 전기장치 등이 전반적으로 수정-보완되었다.

초전도자석을 사용하는 토카막 핵융합 실험로를 당시엔 세계 어디에서도 만들어본 적이 없었다. 그 때문에 초전도자석을 만드는 것은 KSTAR를 개발하기 위해 넘어야 할 첫 번째 과제였다. 세계 최고 성능의 토카막 핵융합실험로를 만들기 위해서는 지금까지 해외에서 개발된 초전도선재의 성능을 뛰어넘어 더 높은 전류밀도와 낮은 전류손실의 조건을 동시에 만족하는 차세대 초전도선재가 필요했다. 삼성종합기술원과 옥스포드초전도기술사의 지속적인 설계개선과 국내 고려제강, 프랑스 국적 거대 케이블 회사인 넥상스(Nexans S.A.) 한국 자회사인 넥상스코리아의 제작협력을 통해 성공적으로 이루어질 수 있었다. 무산소 구리 안에 주석과 4000여 개의 나이오븀(Nb)을 삽입하여 밀봉한 후 이를 잡아 늘려 0.78mm 직경의 Nb3Sn 선재를 최고 10km까지 끊어지지 않게 뽑아내는 고난도 작업이 이루어졌다. 그리고 이를 다시 여러 가닥으로 꼬아 초전도선재 다발을 만든 뒤 이를 특수 재질의 고강도강판으로 둘러싸서 용접함으로써 초전도도체를 완성시켰다.

그 다음의 제작공정은 D자 형태로 정밀권선을 한 다음 이를 장시간 열처리한 후 고전압을 견딜 수 있도록 절연층을 만들어주는 작업이었다. 이때 가장 어려운 공정이 열처리였는데, 이를 거쳐야만 초전도의 특성을 따게 된다. 열처리 작업 도중 전류가 유입되는 입구에서 작은 부품 하나가 깨져서 공정이 중단되는 사태가 발생하기도 했지만, 수차례의 연구개발을 거쳐 문제를 해결하면서 열처리공정 작업을 끝냈다. 이로써 2002년 4월, KSTAR에 들어갈 최초의 초전도자석 개발이 성공적으로 마무리되었다. 한 시민단체에서 초전도자석의 성능에 대한 의혹을 제기하기도 했지만, 2002년 여름부터 2003년 초까지 반년에 걸쳐 진행한 극저온 냉각과 초전도 전이 달성, 대전류 인가 등의 성능 테스트를 국내외 전문가의 평가와 검증을 거쳐 완벽하게 통과하면서 초전도자석에 아무런 문제가 없다는 것을 입증했다. 이는 국제적으로 매우 중요한 성공사례로 꼽혀, 국제학술회의에서 초청 강연이 이루어지기도 했다.
파일:KSTAR1.jpg

KSTAR의 주장치 제작과 설치 작업이 본격적으로 시작된 것은 2002년부터였다. 그런데 문제가 생긴다. 현대중공업이 울산에서 제작한 거대한 저온용기를 KSTAR가 설치되는 대전까지 대체 어떻게 운반해오느냐였다. 직경 9.6m, 높이 10m, 무게 60톤에 이르는 이 거대한 원통형 구조물을 도로로 통째로 들고 오는 것은 불가능했다. 배로 강경항까지 운반하고, 강경에서 대전까지 헬기로 운송하자는 의견도 나왔으나, 부속품을 제외한 몸체의 무게조차 40톤에 달해 헬기로 운반하기도 너무 위험했다. 결국 저온용기 바닥은 2조각으로, 몸통은 4조각으로, 뚜껑은 3조각으로 쪼개 각각 이동한 뒤 핵융합특수실험동 주장치실에서 재조립하는 방안이 결정되었다. 추후 조립을 위한 최적의 조건과 도로 이동이 가능한 크기로 분할하기는 했지만 이 역시 쉬운 일은 아니었는데, 고속도로를 이용할 수가 없었으므로 새벽에 국도를 타고 장장 3일에 걸쳐 운송해야 했다. 모든 도로 사정을 고려해 이동 경로를 설정했지만, 그럼에도 뜻하지 않은 현수막이나 도로표지판 등에 걸려 차량이 통과하지 못하는 경우가 벌어지기도 해 도로 한가운데서 장치 일부를 분해했다가 통과 후 재조립하는 과정을 반복해야만 했다.
파일:KSTAR2.jpg

그러던 사이 KSTAR 건설 과정을 통해 한국은 핵융합연구기술 능력을 인정받아 2003년부터 국제핵융합로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 건설 프로젝트에 참여하게 되었다. KSTAR 건설 과정에서 보여준 기술력은 세계의 평가와 시선을 돌리기에 충분했으며, 한-EU 핵융합 공동협력 협정을 체결하기 전 양국 실무진들이 한자리에 모였을 때 유럽 측으로부터 회원국 가입을 적극적으로 권유받기도 했다. 이후 한국은 2002년 12월에 ITER 가입의사를 표명하고 채영복 과학기술부 장관을 필두로 정부 관료와 실무진으로 이루어진 ITER 협상단을 구성해 러시아 및 유럽 각국과 협상하며 2003년 5월 공식적으로 ITER 가입 의향서를 유럽에 전달했다. 그리고 한 달 뒤인 2003년 6월 ITER 가입을 공식적으로 승인받아 참여하게 되었다.

한편 기반 장치들이 속속 완성되면서, KSTAR는 장치 전체에 대한 조립 단계로 넘어갔다. 수십 톤에 달하는 거대한 부품들을 제 위치로 이동시키고 이를 하나로 연결하는 작업이었다. 2004년 2월부터 저온용기의 현장용접을 시작으로 2004년 3월 초전도자석 시스템의 지지구조물, 그리고 2004년 6월 진공용기 섹터 I과 II의 현장용접이 진행되었다. KSTAR에 적용되는 진공용기는 가운데 구멍이 뚫린 도넛 형태의 원통형 구조물로 섹터 I, 섹터 II, 섹터 III 세 부분으로 나누어져 제작되었다. 완성된 섹터는 일차적으로 제작 공정에서 누설 여부를 확인한 후 핵융합특수실험동 주장치실로 옮겨와 현장에서 용접하는 방식이었다. 360˚ 중에서 337.5˚에 해당하는 섹터 I과 섹터 II가 먼저 연결되었다. 나머지 22.5˚에 당하는 공간은 자석을 넣을 수 있는 최소한의 공간으로, 기술적으로 가장 어렵고 위험도도 가장 높고 시간도 가장 오래 걸리는 조립 작업이다. 이를 완성하는 데는 4개월이 넘게 걸렸다. 진공용기는 가스 누설을 완벽하게 차단해야 하기 때문에 연결 부위의 용접 상태가 얼마나 완벽하게 이루어지는가가 관건이었다. 국제적 기준에서 허용하는 용접의 공차는 0.8mm였지만, 연구팀에서는 0.3mm 이하를 요구했다. 국내 최고의 용접 기술자들이 모여 수많은 테스트와 회의를 거듭한 결과, 0.3mm의 공차를 유지하는 것은 현실적으로 불가능하다는 결과가 나와 결국 ±0.5mm라는 기준을 마련하여 용접 작업이 진행되었다. 이는 사실상 제작 오차를 허용하지 않겠다는 말이었다. 이후 2005년에 진공용기 열차폐판 제작이 완료되었고, 곧바로 저온용기 열차폐판 제작에 들어가 2006년에 완료되었다.
파일:KSTAR3.jpg

초전도자석은 2005년 2월 15일 첫 번째 TF(트로이달 자장)초전도자석(진공용기를 수직방향으로 에워싸는 코일)이 핵융합특수실험동에 들어온 뒤 순차적으로 조립되어 2006년 3월 TF초전도자석의 조립이 완료되었고, 2006년 12월에 8개로 이루어진 CS(중심솔레로이드) 코일과 6개의 외부 PF(폴로이달 자장)초전도자석(진공용기를 따라 설치되는 코일.)이 순차적으로 조립되었다. 그리고 CS 자석이 중심축에 장입되면서 KSTAR의 조립 일정 중 가장 중요한 저온용기 본체 조립이 2007년 1월에 성공적으로 완료되기에 이른다.
파일:KSTAR조립1.jpg

2007년 1월 11일에는 KSTAR의 외장 덮개인 저온용기를 위에 씌우는 작업이 진행되었다. KSTAR의 주장치 조립의 가장 중요하고 위험한 단계인 이 작업은 지름 9m, 무게 60톤에 이르는 거대한 원통형의 저온용기를 20m 높이로 들어 올려 초전도자석과 진공용기, 튜브, 전선 등이 복잡하게 얽혀 있는 내부장치 위에 씌우는 일이었다. 이 과정에서 전선 한 가닥이라도 건드렸다간 그동안의 모든 노력은 물거품이 되어버리는 것이었기에, 1m를 올리는 데 10분을 들였을 정도로 매우 신중하고 느리게 진행되었고, 내릴 때는 더 신중하게 진행했다. 1m를 내릴 때마다 작업자들이 투입되어 부품이 서로 닿는 곳이 없는지 이상 여부를 점검해 무전으로 알리고, 모든 부분에서 이상이 없음을 확인한 후 다시 1m를 내리는 식으로 진행되었다.
파일:KSTAR4.jpg

2007년 4월 말에 진공용기와 저온용기의 진공배기 시스템이 완료됨으로서 5월 주장치의 현장 조립이 완성되었고, 6월에 진행된 진공 테스트 과정에서 저온용기 열차폐체의 일부 구간에서 상온 누설이 발견되었지만, 2개월에 걸친 면밀한 조사 끝에 누설지점을 발견하고 보수 작업을 마쳤다. 그리고 2007년 8월 31일, 마침내 KSTAR의 제작 및 설치가 최종적으로 완료되어, 2007년 9월 14일에 핵융합특수실험동에서 KSTAR 완공식이 거행되었다. 이날 완공식에는 노무현 대통령과 김우식 부총리 겸 과학기술부 장관 등 정부 인사, KSTAR 개발에 참여한 산학연 관계자, 미국 · 일본 · 중국 · 러시아 등의 핵융합 기관장 및 전문가, ITER 참여국 주한 외교사절 등 500여 명이 참석했다.

KSTAR 제작에 성공한 핵융합연구센터는 2007년 9월 1일부로 국가핵융합연구소(National Fusion Research Institute, NFRI)로 명칭을 바꾸고 새롭게 출범되었으며, 이후 완공식 나흘 뒤인 2007년 9월 18일 '국가핵융합연구소 현판식'을 가졌다.

2008년 2월부터 본격적으로 KSTAR 종합시운전에 돌입했다. 시운전은 총 4단계로 나누어졌는데, 제1단계 진공 시운전, 제2단계 극저온 냉각 시운전, 제3단계 초전도자석 및 전원 성능시험, 그리고 마지막 제4단계에서 최초 플라즈마 달성 실험 등이 순차적으로 진행될 예정이었다. 진공 시운전은 2007년까지 대부분의 시험이 완료된 상태였기 때문에 문제 없이 순조롭게 진행되었다. 제2단계인 극저온 냉각 시운전이 진공 시운전 직후 개시되었는데, 상온에서부터 -268℃까지 냉각이 진행되었다. 갑자기 냉각되면 두께와 특성이 서로 다른 수많은 재료들과 부품들이 다 부서져버리기 때문에, 4주간에 걸쳐 매우 천천히 진행되었다. 냉각용매는 헬륨을 사용하는데, 헬륨은 비활성 기체로 냄새가 없고 매우 가볍기 때문에 진공 상태에서 가장 잘 새는 물질이다. 누설을 완벽하게 막아내야 하는 것이 중요한데, 상온에서 괜찮다가도 저온 냉각되기 시작하면 맞닿은 재료가 서로 뒤틀어져 누설이 생기는 콜드리크(Cold Leak) 현상은 아무리 치밀하게 준비해도 잡아내기 어려운 문제다. 언제 어디서 발생할지 모르기 때문에, 극저온 냉각 시운전은 초긴장 상태에서 진행되었지만, 결과는 대성공이었다. 2008년 4월 말 초전도 전이 현상이 관측되었고, 2008년 5월 6일 10K(-268℃)까지 냉각시키며 극저온 냉각에 성공했다고 공식 발표되었다.

제2단계 냉각 시운전을 성공적으로 마친 KSTAR는 곧바로 제3단계인 초전도자석 및 자석 전원 성능 시험에 들어갔다. 자기 전류가 흐르면서 냉각된 장치들이 균열이 생겨 깨지거나 코일이 불에 타버리는 퀜치(Quench) 현상이 발생할 수 있었다. 극도의 불안감 속에서 진행되었지만, 놀랍게도 이번에도 아무 문제가 발생하지 않고 성공적으로 끝났다. TF초전도자석의 경우 최초 15kA까지 대전류 인가 시험이 성공적으로 완료되었고, PF초전도자석은 각각의 PF코일에 대한 개별 성능시험과 전체 PF코일이 동시에 작동하는 시운전까지 무사히 진행되었다.

그리고 마침내 2008년 6월 KSTAR 종합시운전의 마지막 단계인 최초 플라즈마 발생실험이 시작되었다. 제어실에는 '배수진'이라는 플래카드가 걸려있었을 정도의 분위기였다고 하는데, 단순한 실수라도 한다면 KSTAR 프로젝트에 곱지 않은 시각을 가지고 있던 사람들이 집게손가락을 치켜들고 '그것 봐라!'라고 소리치며 손가락질을 할 준비를 하고 있었고, NFRI는 이 때문에 더욱 더 철두철미하게 작업을 진행하여 아주 사소한 문제가 큰 문제로 비화되지 않기 위해 점검하고 또 점검하기를 거듭했다고 한다. 그리고 마침내 이러한 노력이 보상으로 돌아와, 2008년 6월 13일에 마침내 플라즈마 전류 130kA, 플라즈마 유지 시간 0.12초의 최초 플라즈마 발생에 성공했다. 이는 단 한 번의 종합시운전으로 어떠한 이상도 없이 단 한 번에 성공한 최초의 플라즈마였다. 전 세계적으로 최초의 사례였으며, 12년에 걸친 KSTAR 사업의 대성공을 의미하는 일이었다. 특히 KSTAR의 최초 플라즈마 발생 성공은 초전도 재료에 Nb3Sn 합금을 세계 최초로 사용한 핵융합 연구장치의 운전 성공 사례라는 점에서 의의가 컸다.

이후 지속적으로 발전해온 KSTAR는 다시 한 번 놀라운 모습을 보여주었는데, 플라즈마 제어코일을 진공용기 안에 설치한 것이다. 플라즈마 제어코일은 플라즈마의 생성과 가둠을 위해 가장 중요한 역할을 하는 구조물로서, 플라즈마의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 이전까지 세계의 모든 핵융합 실험로들은 코일을 진공용기 외벽에 휘감는 방식을 채택하고 있었다. 해외 전문가들은 불가능한 일이라며 고개를 내저었고 실제로도 2차원 CAD 작업에서는 불가능하다는 결론이 내려졌으나, 3차원으로 재차 접근하자 2차원에서는 보이지 않던 새로운 투입경로가 개발되었다. 그러나 현실적으로 진공용기 내부라는 제한된 공간에서 500kg에 달하는 무게에 총 길이 8m가 넘는 코일을 단 한 번에 안정적으로 설치한다는 것도 낙타가 바늘구멍을 통과하는 수준이라고 할 정도로 매우 어려운 작업이었다. 코일 자체를 제작하는 것도 쉽지 않았다. 코일이 고열에 녹지 않도록 최적의 용접조건을 찾아야 했다. 하지만 연구진들은 방법을 찾아냈고, 마침내 2010년 4월 4일 플라즈마 제어코일을 진공용기 내부에 바느질하듯 꿰어 넣는 작업에 성공했다. 낙타가 바늘구멍을 통과한 것이다. 이 모범적인 성공사례는 ITER 사업에도 영향을 끼쳐, ITER는 설계를 변경하여 플라즈마 제어코일을 내부에 설치하기로 결정된다. KSTAR의 연구진들이 ITER의 플라즈마 제어코일 관련 설계를 검토 및 자문해 주고 있다.

디버터를 텅스텐 소재로 교체한다고 한다. # 기존에는 디버터의 소재가 흑연 그래파이트였는데, 텅스텐으로 바꾸면 녹는점이 조금 더 높고(3422도) 열전도도와 인장 강도 등이 더 우수하다고 한다. # 텅스텐 디버터를 개발하는 기술은 국가핵융합연구소에서 디버터시스템 연구팀을 만들어 만든 결과물이다. # 2023년 12월 13일, 디버터를 텅스텐 소재로 업그레이드하는 작업을 끝내고 1년 4개월만에 플라즈마 시험을 재개했다.

4. 참여기관

5. 특징

KSTAR가 만들어낸 플라즈마

세계 최초로 300초 이상 고주파를 낼 수 있는 메가헤르츠(MHz) 대역의 전자기파 가열장치(통칭 ICRF)를 사용한다. 전자레인지와 같은 개념이다. 메가헤르츠(MHz) 대역의 전자기파를 쏴서 플라즈마 이온을 공명시켜 플라즈마의 온도를 섭씨 1억℃까지 올린다.[5][6] 한국원자력연구원 곽종구 박사팀은 2007년 7월 12일 이 가열장치의 개발 성공을 발표했다.

KSTAR의 가장 큰 특징은 초전도 전자석을 사용하는 핵융합로라는 것. 초전도 소재를 쓰는 만큼 전자석이 훨씬 강력하며 냉각부담이 적다. 당연히 일반 전자석을 사용하는 융합로에 비해 플라즈마 지속시간이 훨씬 길다. 하지만 세계 최초는 아니다. 중국 도 KSTAR에 앞서 초전도 토카막 EAST를 가동하였으며, 인도도 만들다 말긴 했지만 비슷한 핵융합로를 개발했다. 다만 중국의 EAST는 초전도 선재로 NbTi를 쓰는 반면 한국의 KSTAR는 성질이 우수한 Nb3Sn을 초전도 선재로 사용한다는 점이 다르다.

여기서 태양에 대해 공부해본 사람이라면 태양의 내부 온도는 1500만도에서 핵융합을 일으킨다고 하는데 3억 도까지 올릴 필요가 있느냐 라는 사람이 있을 것이다. 그것은 핵 융합로와 태양 내부의 압력이 달라서이다. KSTAR 내부의 밀도는 공기 밀도의 0.01배 정도로 매우 낮기 때문에 3억 도로 가열해야 4기압 가량의 압력을 유지할 수 있지만 태양은 내부 기압이 수천 억 기압까지 치솟기 때문에 비교적 낮은 온도에서도 핵융합이 가능한 것이다. 근데 저 3~4기압이라도 자기장만으로 제어한다는 것은 매우 어려운 일이다.

당장 현 시점에서 수소나 헬륨을 공급하는 가장 저렴한 방법은 천연가스 분해. 삼중수소는 희소원소까지는 아니더라도 생산단가가 어마어마하시다. 현재로서 가장 저렴한 삼중수소 획득 방법은 리튬을 원자로에서 중성자로 포격해서 붕괴시켜 삼중수소로 바꾸는 방식이다.[7] 다음은 입자가속기에서 리튬을 포격해서 같은 과정을 거치는 것. 당연히 어느 쪽이든 방사선이 대량으로 방출되어야 가능한 일이며, 그 과정에서 생성된 삼중수소 역시 방사성 물질이다. 다만 진공용기가 깨져도 내부 플라즈마가 공기에 접촉될 경우 빠르게 에너지를 잃으므로 폭발하거나 위험해질 가능성은 거의 없다. 핵분열에 비해 안전하다는 이야기는 이런 의미.

참고로 방사능 물질은 거의 없다. 우라늄을 쓰는 핵분열 장치와는 달리 중수소와 삼중수소(D-T반응)를 쓰기 때문. 수소는 바닷물을 전기분해하면 바로 얻을 수 있다. 사실상 무한대. 삼중수소와 중수소를 넣어 핵융합 시키면 강한 열에너지와 함께 중성자와 헬륨이 나온다. 헬륨 핵융합 반응은 수소 핵융합 반응보다도 더 높은 온도를 필요로 한다. 수소를 쓰는 이유 중 하나. 중수소-중수소(D-D) 핵융합 반응에서는 50%의 확률로 헬륨-3이나 삼중수소가 나오지만[8], D-T 핵융합에서는 헬륨-4가 나온다.

단, 핵융합로라고 해도 방사성 폐기물이 다소는 생긴다. 핵융합 반응 도중 중성자가 밖으로 빠지는데, 이 중성자가 핵융합노심에 방사성 물질을 만든다. 한편, 'D-D반응을 사용한다면 며칠 동안만 가동 안 하면 사람이 안에 들어가서 작업할 정도로 방사선 수치가 떨어진다.라는 이야기가 있다. 물론 D-D반응이 D-T 핵융합 반응 다음의 목표이기는 하나, 애석하게도 현재로서는 하늘의 별따기 수준으로 어렵다. 좁은 의미에서의 제동복사만 해도 큰 문제이다. D-D반응이 일어나기 위한 온도에서는 싱크로트론 복사가 발생하며, 싱크로트론 복사에 의한 에너지 손실만 해도 무시하기 어렵다. 더 큰 문제는 싱크로트론복사로 인해 애초에 D-D반응을 달성하기 위한 온도까지 올라가지 않는다는 것이다. 하지만, 베타값을 올려서 플라즈마의 압력을 올려준다면 이야기는 달라질 수 있다. 물론 가동을 며칠 중단하면 D-T반응을 이용하는 ITER에서도 똑같이 안에 사람이 들어가서 작업할 수 있다.

궁극적인 목표인 D-3He 반응의 경우 이론상 방사선이 전혀 나오지 않으나 실제로는 투입된 중수소끼리도 반응하기 때문에 여전히 방사능이 나온다. 이러한 핵융합 반응은 현재 자기관성핵융합 방식의 연구가 시도되고 있다(자세한 것은 핵융합문서 참조). D-T반응을 이용하는 핵융합로는 폐기처분하면 지금 원자력 발전소에서 나오는 저준위 방사성 핵폐기물만큼의 방사능이 나온다.

6. 연구성과

7. 오해

2008년 이명박 정부 출범 후 각종 국책 연구기관장에게 사표를 요구하며 논란이 있던 시기에 # 임기 3개월 남은 신재인 핵융합 연구소 소장이 교체되자 인터넷에 KSTAR 낙하산 인사 논란이 퍼지기 시작한다. 그러나 신임 이경수 소장은 KSTAR를 처음 기획하고 이끌어온 총괄 책임자였으니 핵융합 연구소 소장직을 맡는 것은 합당하였다. 또한 신임 이경수 소장이 후에 더불어민주당 과학기술특별위원장에 선임되는 것을 보면 이명박 정부의 낙하산 인사라는 논란은 오해였다. KSTAR 연구진의 인사이동 또한 일부 연구진이 ITER로 옮긴 인사 변동을 제외하면 대부분 그대로 있다고 한다. 신재인 소장의 퇴임 후 인터뷰를 보면 # 임기 3개월 남은 소장을 특별한 이유 없이 교체한 것이 의아할 뿐 본인 퇴임을 둘러싼 루머는 대부분은 사실무근이라 하였다.

거기에 더해 정부가 일본 연구진을 합류시켜서 일본에게 기술 퍼준다는 소문도 퍼지기 시작했다. [14] 그러나 핵융합 상용화는 아인슈타인과 같은 몇 명의 천재가 단번에 기술적 돌파를 할 수 있는 분야가 아니며 결국 시간, 인력, 예산과의 싸움이다. 당연하지만 한국보다 월등히 많은 연구인력(예산)과 오랜 연구 업력(시간)에서 축적된 이론과 기술은 일본이 한국보다 우위에 있다.

일본은 핵융합 관련 대형시설을 토카막 방식의 JT-60U, 스텔러레이터 방식인 LHD, 레이저 방식인 GEKKO-XⅡ 등 기술 따라 골고루 3군데나 가지고 있다. 한국의 KSTAR가 기술적 부상으로 조명받고 있지만 한국의 부족한 기술인력과 예산으로는 아직까지 토카막 방식인 KSTAR에 올인하는 것이 한계로 한일 양국 간의 기술교류로 해결점을 모색해야 하는 입장이지 한국이 일본에게 일방적으로 기술을 퍼줄 만한 입장은 전혀 아니다. 핵융합 연구소와 일본 원자력연구개발기관(JAEA)이 2005년에 맺은 협력협정에 따라 일본 측은 2008년 KSTAR의 중성입자빔(NBI) 개발에 필요한 플라스마 제너레이터(Plasma Generator)와 마이크로웨이브 가열장치용 초고주파원을 한국에 무상 대여했으며 그 대가로 KSTAR를 이용한 연구에 일본 인력이 참여키로 한 것이다. 장비 무상 대여의 반대급부로 일본 연구진을 KSTAR에 참여시키기로 한 협정을 2005년에 맺은 정부는 노무현 정부(2003년~2008년)였으니 일본인 연구원 참가 건은 이명박 정부와는 무관한 일이다.

KSTAR의 기반인 프린스턴 TPX 설계도 도입 시 미국인의 세금으로 개발한 설계도를 한국으로 반출하는 데에 미국 내부의 반대 의견도 있었으나 국제협력을 위해 미국이 대승적으로 용인해준 것과 KSTAR 건설 당시 일본의 협조는 한국 언론이 거의 다루지 않았으며 '세계 최고', '순수 국산' 같은 기사에 익숙한 일부 대중들에게 일본 인력 참여는 기술 빼돌리기로 보였다. 의혹 제기한 측이 친노무현 인터넷 유저들이다 보니 노무현 정부가 이룩한 KSTAR의 성과를 이명박 정부가 팔아먹었다는 식의 과격한 주장도 많았고 아직까지도 인터넷에서는 정설인양 퍼트리는 사람도 있다. 하지만 핵융합 발전 같은 초장기 프로젝트는 상용화까지 50년~100년을 바라보는 국제협력사업이다. 당장 KSTAR만 해도 김영삼 정부 때인 1995년에 착공해 김대중 정부를 거쳐 노무현 정부 때 완공하였으며 핵융합 발전은 김영삼 정부 때 연구개발 기본계획 노무현 정부 때 ITER 가입 관련법 제정과 핵융합 에너지 기본계획 이명박 정부 때 2차 핵융합 에너지 기본계획을 거쳐 현재까지 이어오고 있다. 현 문재인 대통령 임기는 물론 차차기 대통령 임기까지 KSTAR 시설은 꾸준히 업그레이드와 실험을 계속할 것이다.

핵융합뿐만 아니고 웬만한 거대과학 프로젝트는 기본이 10년은 넘기 때문에 임기 5년의 대통령이 몇 년 투자해서 세계적인 성과를 올린다는 것은 불가능한 일이다. IMF 같은 국가 환란사태가 아닌 이상 설사 핵융합 연구에 부정적인 대통령일지라도 국민과 관료 및 과학계의 대대적인 반발을 무시하고 핵융합 연구 중단 정책은 실현 불가능할 것이다.

결국 이러한 제반 사정에 무지한 일부 네티즌들과 언론이 만들어낸 루머였다. 한국은 다양한 핵융합 기술 중 토카막이라는 한 부분 중에서도 이론보다는 운영 기술, 실증에 부분적인 강점이 있으나 일본에게 기술을 퍼줄 만큼 우위에 있다고 하기는 힘들다. 일본인 연구진이 온 이유도 ITER 프로젝트에선 국제적 협력을 가장 중요시 여기기 때문이며 ITER 사업에 참여하는 국가들은 자국 실험로로 나온 데이터들과 기술들을 서로 교류하면서 공유한다. 핵융합연구소 측에서는 오히려 안 그래도 사람 없어 죽겠는데 일본 연구진 오면 대환영이라는 듯하다. 당장 한국핵융합연구소에는 일본인 과학자뿐 아니라 유럽, 인도, 베트남 과학자도 근무하고 있다. ITER 협정은 한 국가가 기술을 독점하는 것이 아니라 회원국 간 R&D 결과 및 기술을 공유하도록 되어 있다. 오해의 여지가 있어 첨언하자면, ITER에 대한 특허 및 연구내용을 로열티 없이 라이선스 할 수 있도록 하는 것이지 핵융합 연구에 대한 모든 기술을 오픈하는 것이 아니다. 즉 ITER 사업을 통해 등록되는 특허 및 기술자료들은 ITER 협정에 서명한 국가들과 공유하게 되지만, KSTAR 사업을 통해 발생한 특허 및 기술자료들은 공유하지 않는다.

2019년에 문재인 정부에서는 핵융합 기초연구 편성 예산이 62억에서 45억으로 전년 대비 27.8% 감소하여 논란이 있었다. 관련기사 이 또한 잘 모르는 네티즌과 언론이 만든 오해로 기초연구 사업 중 단위가 큰 과제가 종료되고 신규과제의 예산이 적어 생긴 일이다. 국가핵융합연구소 연구비를 보면 2015년 770억에서 2021년 890억으로 늘어난 것을 알 수 있다. ITER 사업의 예산 또한 2018년 350억에서 2019년 330억으로 줄었다며 오해를 퍼트리는 사람이 있었으나 2021년 예산을 보면 670억으로 늘어난 것을 알 수 있다. 한국은 ITER 이사회 회원국이며 ITER 프로젝트에선 국제적 협력이 가장 중요하며 각 국가가 실험로 공정 과정에 따라 담당액을 합의로 정하기 때문에 그때그때 예산이 달라지는 것이다. 또한 문재인 정부에서 핵융합 연구관련 예산을 전액삭감 했다는 찌라시가 커뮤니티에 한참 퍼진 적이 있었는데 사실 환경운동연합이라는 시민단체에서 펴낸 의견서를 짜깁기한 선동성 렉카에 가까운 내용이었다. 다만 전체 의견은 아닐지라도, 양이원영을 필두로 당시 정부 여당의 의원들 중 핵융합 사업에 비판적인 의원들이 있었던 것도 사실이다. 핵융합 관련 예산을 전액삭감해야 한다는 환경연합의 정부예산 의견서(15페이지) 당시 에너지포럼 사무처장이었던 양이원영 의원이 핵융합 사업이 사기극이라는 이야기를 하는 기사

8. 관련 문서

[1] ITER는 30m [2] 초전도 선재를 사용한 토카막은 이미 1980년대쯤 프랑스나(Tore Supra(현 WEST)) 러시아(T-7, T-15(현 T-15MD)) 등의 국가에서 제작된 적이 있으며 KSTAR가 세계 최초로 달성한 것은 모든 선재에 초전도체를 사용한 것이다. 중국의 EAST 토카막도 KSTAR와 동시대의 완전 초전도 토카막이긴 하지만 KSTAR의 초전도 선재는 EAST 토카막이 사용하는 초전도 선재인 NbTi보다 물성이 우수하며 ITER에서도 사용될 Nb3Sn을 사용한다. [3] 정부산하 연구기관 [4] 정부산하 연구기관 [5] 태양에는 몇 천억의 압력이 자연적으로 있지만 지구에는 그러한 압력이 없고 중력을 이용할 수도 없으며, 핵융합을 일으키기 위해선 플라즈마 상태가 되어야하는데 이 플라즈마를 만들려면 압력이 낮아야한다. 고로 압력을 높이는 것보단 온도를 높이는 것이 상대적으로 쉬워서 온도를 높인다. [6] 어디까지나 중심부의 온도가 1억℃이며 바깥쪽은 1억℃보다는 낮다. [7] 이를 응용해 연구 중인 것이 현재의 리튬 브리딩 블랭켓이다. 블랭켓은 융합로의 내부와 외부를 분리하는 부분으로, DEMO와 그 이후의 상업용 발전소 단계에서는 이 블랭켓이 고에너지 중성자와 방사선 에너지를 받아 가열되어, 그 사이를 냉각수가 지나가면서 열교환이 이루어져 발전용 터빈을 돌릴 증기가 발생하는 데 필요한 열이 공급되는 부분이다. 여기다가 액체 리튬을 집어넣어서 열 교환과 동시에 삼중수소를 발생시키는 게 바로 리튬 브리딩 블랭켓이다. 비교하자면 핵분열로중 증식로의 개념에 해당한다. [8] D-D 반응에서는 "D + D → He-3 + n또는 D + D → T + p" 두 가지 반응이 50% 확률로 일어나는데 이 때문에 D-T 반응과 똑같이 중성자가 발생하지만 D-T 반응에 비해 나오는 중성자의 양은 훨씬 감소한다. 또한 중성자의 에너지도 D-T 반응의 경우 14.1MeV, D-D 반응의 경우 3MeV 정도로 훨씬 낮다. [9] 토카막 핵융합장치에서는 고온인 플라즈마 경계면에서의 큰 압력 변화로 인해 ELM이 필연적으로 수반되는데, 플라즈마 경계면이 불안정해지면 플라즈마 에너지가 설비 밖으로 유출돼 발전 효율이 떨어지고 장치 내벽에도 손상을 입히게 된다. 그런데 ITB모드를 통해 이런 문제를 줄일 수 있다는 것. [10] 한편, 그전에 중국의 실험용 핵융합로 EAST가 달성한 1억℃는 중심 이온 온도가 아닌 전자의 온도이다. [11] 실제실험은 10월 16일에 이루어졌다 [12] 2021년 6월 중국의 EAST가 1.2억도에서 101초 달성, 온도는 1.6억도까지 올리면서 최고 기록을 경신했다고 밝혔으나 이는 전자의 온도이다. 고작 양성자 하나가 전자보다 1837배 무거운데, 실제로 연구중인 D-D, D-T, D-He3 핵융합 반응에 참여하는 원소들의 무게는 전자보다 한참 더 무거울 것이다. 무거운 물체의 온도(쉽게 말해 운동에너지)를 올리는 것이 더 어렵다. [13] https://doi.org/10.1038/s41586-022-05008-1 [14] 일본에서는 자국의 토카막 방식 핵융합 시설인 JT-60U를 초전도 방식으로 개장하면서 JT-60U의 부대장치 중 KSTAR에 필요한 진단장치들을 무상으로 이전, 설치하는 방안을 협의하기로 했다. (이 과정에서 넷상에서는 기껏 개발한 기술 한국에 퍼주지 말라는 넷우익들의 목소리가 나오기도 했었다.)

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