연구개발 사업의 개요

  우리나라의 본격적인 핵융합 연구개발 사업은 1995년말 “국가 핵융합 연구개발위원회”에서 성안되어 정부의 승인을 거쳐 확정·시행된 “국가 핵융합 연구개발 기본계획”의 첫단계로 선도기술개발사업으로 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: “한국의 태양”) 장치로 이름지어진 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 상용화시기까지 이 분야의 기술선진국으로서의 위치를 확립하는 것을 최종 목표로 하고 있다.
  이러한 중장기적인 목표의 달성을 위한 첫단계로 21세기초까지 정상상태 운전이 가능한 세계 수준의 차세대 초전도 토카막 장치를 국제 공동협력을 적극적으로 활용하여 국내기술로 건설하는 국가적 사업으로 KSTAR 프로젝트가 수행되고 있다.
  이 KSTAR 장치 개발사업은 핵융합로 개발에 필요한 국내 연구개발 역량을 집중시킨 범국가적 사업으로 추진되어 1996년초 총괄주관기관인 한국기초과학지원연구원에 “핵융합 연구개발 사업단”을 개설하고 각 분야별 전문성과 연구개발 실적을 바탕으로 한국원자력연구소, 한국과학기술원, 포항공과대학교, 삼성종합기술원 등이 주관 연구기관으로 선정되었고, 한국표준과학연구원, 한국전기연구원 등 출연 연구기관과 서울대학교, 연세대학교, 성균관대학교 등 대학, 삼성전자(주), 현대중공업(주), (주)포스콘 등 산업체를 포함하는 총 25개 기관 300여명의 연구기술 인력이 참여하는 사업으로 1998년 8월에 3개년간의 제1단계 사업이 장치의 기본설계 완성 및 기반기술 개발이라는 목표를 성공적으로 달성하였다. 제1단계 기간중 수행된 연구개발 사업의 주요 실적은 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·평가위원회를 3차에 걸쳐 개최하여 목표한 설계 이정표 모두를 성공리에 완료하였다.
  KSTAR의 제2단계 사업은 제1단계 사업의 실적평가와 향후 장치의 제작과 설치 등을 고려하여 6개월여에 걸친 국내외 평가회를 거쳐 1998년 9월 착수되어 2002년 6월 완료되었는데, 이 사업단계에서는 한국기초과학지원연구원을 총괄주관기관으로 하여 한국원자력연구소, 삼성종합기술원, 포항공과대학교 등을 주관연구기관으로 하고 국내의 많은 출연 연구기관, 학계, 산업계들이 참여하는 국가적 사업으로 수행되었고, 국제 협력도 활발히 진행되어 미국 에너지부의 연구개발예산이 투입되고, 유럽연합 및 일본이 정부 차원에서 참여를 추진하고 있어 우리나라가 주도하는 국제공동연구 형태의 사업으로 발전하는 상태에 도달하고 있다. 제2단계까지 선도기술개발사업으로 수행되어온 KSTAR 사업은 2002년 6월부터는 과학기술부의 기초과학연구사업의 일환으로 장치의 제작과 설치 및 운영을 목표로 하는 제3단계 사업으로 착수되어 2002년 현재까지 사업 수행을 통해 장치의 상세설계를 완료하고, 설계된 장치를 제작, 시험하는 내용의 필수 기반 기술 및 제작기술 개발 완료를 목표로 사업이 진행중이다.
  KSTAR 사업은 당초 2002년까지 1500억원(1995년 당시 환율로 약 2억달러)의 예산을 들여 연구장치를 완성할 예정이었으나, 1997년말 발생한 국가적 경제위기 상황에 따른 투자지연, 급격한 환율 변동 및 물가변동에 따른 소요예산 증가 등의 사유로 2004년 말까지 2480억원(2002년 현재 환율로 약 2억달러)의 예산을 들여 완성하는 것으로 2001년 8월 국가 핵융합 연구개발 기본계획이 변경되어 추진중이다. 장치 개발사업과는 별도로 KSTAR 장치의 설치와 전원, 헬륨 액화시설 등 특수설비의 건설을 위한 특수실험동 건설사업은 약 950억원이 투입되어 2002년 5월 건축 부문의 준공과 2004년 중 특수 설비의 완성을 예정되어 있다.
  2004년 말까지 연구장치의 개발이 완료되어 2005년 중 운영 목표가 달성되면, 약 10년여에 걸친 최종설계와 기술개발을 마치게 된다. 2015년경 장치건설을 목표로 추진중인 국제열핵융합실험로(ITER) 장치의 본격적인 운영 전까지, 세계에서 유일하게 초전도 기술을 적용한 최고 수준의 핵융합연구가 가능한 장치가 될 것이고, 국제공동연구의 중심적 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

KSTAR 핵융합 연구장치 개발

  토카막 장치는 크게 몇가지 중요 부분으로 나눌 수 있다. 플라스마를 생성하고 가두는 진공챔버와 구조물, 플라스마를 가두는 자장을 형성시켜 주는 전자석 장치, 전자석에 대용량의 전류를 공급하는 전원장치, 플라스마의 온도를 핵융합 반응이 일어나기 쉬운 온도까지 올려주거나 이러한 상태를 지속시키기 위해 플라스마 내부에 전류를 만들어 흐르게 하는 가열장치와 전류구동장치, 플라스마의 여러 성질과 특성을 실시간으로 측정하여 핵융합 연구를 실질적으로 가능하게 하는 여러 가지 진단장치들, 그리고 이 모든 장치들을 제어하고 조정하여 가장 효과적이며 효율적인 핵융합 반응을 일으키는 조건을 찾아가도록 지휘하는 제어장치 등이 있다.

(1) 대형 진공 챔버 및 구조물
  핵융합로에서의 핵융합 반응은 높은 온도에서 반응이 일어날 확률이 높기 때문에 플라스마의 온도를 높게 유지해야 하는데 일반적으로 1억도 이상의 온도가 필요하다. 이 높은 온도를 가두어두는 장치가 필요하다. 이 챔버를 진공으로 유지하는 까닭은 사용하는 연료 (KSTAR의 경우 중수소)만으로 플라스마를 만들어 가급적 핵융합반응이 많이 일어나게 하는 조건을 유지하기 위함이다. 벽면도 진공측면에서 깨끗해야 하는데 이것은 운전 중 벽면의 온도가 올라갈 경우 벽에 흡착되어있던 불순물들이 일시에 튀어나오면 플라스마를 급격히 냉각시켜 버리기 때문이다.
  따라서 다양한 방법으로 벽면을 깨끗이 하는데 KSTAR에서는 이중벽을 만들어 벽 사이에 뜨거운 물을 흘려 벽에 붙어있는 물 등의 불순물을 제거하고자 한다. 또 운전 중에는 이 이중벽에 보론 (Boron)이 첨가된 물을 흘려 운전 중 발생하는 중성자를 흡수하는 역할도 하게 할 수 있다. 플라스마의 외곽온도도 수천도에 달할 것으로 예상되기 때문에 이런 고온에 견딜 수 있는 소재로 벽면을 덮는데 주로 우주선의 앞부분에 대기권으로 재진입할 때의 높은 열에 견디기 위해 덧씌운 것과 같은 탄소판을 사용한다. 챔버는 외부에서 플라스마의 진단이 가능하도록 많은 포트 (port)를 뚫어 플라스마를 직접 관찰할 수 있게 한다. 이 포트들은 가열장치나 전류구동장치를 설치하는 데 사용되기도 하며 진공챔버 내부에 설치되는 수많은 기계, 전기, 진공 및 제어장치의 입구 역할도 겸하고 있다.
  KSTAR 몸체에는 72개의 포트가 뚫려 있어 진공챔버의 제작을 더 어렵게 하고 있는데 이외에도 복잡한 형상을 두꺼운(25mm) 스테인리스 강판으로 만들다보니 수백개의 조각을 1.5km가 넘도록 용접을 해서 만들어내야 한다. 전체 구조물의 크기는 지름과 높이가 9m나 되고 자체 무게만도 300톤이 넘는 대형 구조물인데 전자석과 결합되면 600톤이 넘고 여기에 플라스마가 불안정할 때 만들어내는 동역학적인 무게가 더해지면 1000톤 가까운데 이무게를 지지구조물이 견뎌내도록 지지 구조물이 설계되었다.

(2) 초전도 자석
  자장을 이용하는 핵융합로에서 전자석은 매우 중요한 역할을 한다. 특히 토카막에서는 토로이달 방향의 자장을 발생시켜 자력선 주위로 전자나 이온을 회전운동(사이클로트론 운동)을 하게 하여 붙잡아두는 역할은 물론 초기에 중앙에 있는 솔레노이드 코일을 매우 빠른 비율로 변화시켜 변압기의 일차전류와 같은 역할을 통해 플라스마에 높은 이차전류가 흐르도록 하고 이를 통해 플라스마를 생성시키고 가열시키기도 한다. 플라스마가 안정적으로 챔버 안에 갇혀 있도록 하려면 플라스마 전류를 통해 생성된 토로이달 방향의 자장이 필요한데 적절한 플라스마 전류를 형성해서 안정성을 높이고 핵융합반응이 일어날 수 있는 확률을 끌어올리기도 한다. 따라서 토카막형 핵융합로에서는 전자석이 없으면 플라스마를 가둬둘 수 없어서 반응이 정지되게 된다. 핵융합로에서 필요한 자장의 세기를 얻기 위해서는 대형 전자석이 필요하게 되는데 이때 보통 구리로 만든 상전도 전자석을 사용하면 막대한 전류를 흘려야 하기 때문에 구리가 갖는 전기저항으로 인해 엄청난 열을 발생시켜 이를 식혀주기 위한 냉각수를 같이 흘려주어도 기술적으로 펄스운전밖에 할 수 없다. 정상상태(steady - state) 운전이 가능하려면 자장을 지속적으로 걸어주어야 하는데 상전도전자석을 사용하면 핵융합로에서 만들어낸 에너지보다 더 많은 에너지를 전자석을 식히는 데 사용해야 할 형편이다. KSTAR 장치에서 초전도 전자석 장치에 필요한 전력은 수kW 정도로 이 정도의 냉각시스템을 가동시키려면 3 MW 내외의 전력이 필요하다. 이는 상전도 자석을 쓸 때 예상되는 값의 수백분의 1에 불과한 값으로 에너지절약 효과를 극대화시킨다.

(3) 진단제어장치
  KSTAR 장치는 여러개의 부대 장치가 주장치와 연결되고 또 이를 가동시키고 운영하기에 필요한 보조장치들이 서로 연결되어 있는데 이 모든 장치가 KSTAR 주장치에서 정확한 계획에 의해 짜여진 약 5분간의 핵융합 반응 실험을 위해 한치의 오차도 없이 제대로 작동해야 하는 것이다. KSTAR 건물 내부는 약 2만 8000평방미터인데 이는 일반 40평형 아파트 200여채에 해당하고 이 많은 방안에 가득 설치된 장치들을 서로 연결시켜서 제대로 작동하게 하도록 하려면 초고속 네트워크가 필수이고 이를 통하여 필요한 명령이나 정보 그리고 자료들을 주고받으면서 계획된 실험을 실시할 수 있다. 중앙제어실에서는 이 모든 장치들의 현재상황을 알 수 있고 필요한 명령을 내려보낼 수 있으며 장치들이 주고받아야 하는 수만개의 변수들을 실시간으로 알 수 있다. 또한 KSTAR 장치는 세계 최초로 구현되는 정상상태 운전이 가능한 장치이기 때문에 정상상태로 운전중 필요에 따라 플라스마의 위치나 형태를 바꿀 수 있고 미리 입력해둔 플라스마의 상태를, 이에 관련된 변수들을 실시간으로 측정하면서 기준값과 비교하고 피드백회로를 통한 조정단계를 거쳐 지속적으로 유지시키는 최첨단 제어가 가능해진다.
  KSTAR에서는 한걸음 더 나아가 앞으로 세계 유일의 핵융합 실험장치가 될 것으로 기대하고 이를 위해 이 장치가 많은 나라의 과학자들이 공동으로 이용할 수 있는 장치가 되도록 준비하고 있는데 인터넷 기술을 이용한 원격 공동 실험실(Collaboratory)이 바로 그것이다. 각 나라의 과학자들이 KSTAR장치를 이용하여 함께 실험에 참여하며 그 결과를 실시간으로 볼 수 있도록 하고 화상회의 등을 통해 결과에 대한 분석에 공동으로 참여하는 환경을 제공하는 것이다.

(4) 전원 및 가열장치
  초전도자석용 전원장치는 높은 전류 (3, 4만 암페어)도 필요하지만 그 안정도가 또한 중요하다. 크게 만드는 것도 중요하지만 크면서 정밀한 것은 그만큼 어렵기는 하지만 부가가치가 높은 기술이다. 또 초전도자석의 어느 부분에서 소광(quench)이라고 하는 초전도 현상이 사라지는 조건이 되어 흐르고 있는 엄청난 전류가 갑자기 증가하는 전기저항으로 열을 발생시키는 위험한 상황에서 신속하게 수만암페어의 전류를 차단시키는 새로운 기술도 장착해야 한다. 이러한 기술은 KSTAR뿐만 아니라 대용량 전압 및 전류 전원장치가 사용되는 산업계에 엄청난 파급효과를 가져다줄 것이다.
  태양에서는 1500만도의 온도로도 핵융합반응을 충분히 일으킬 수 있지만 지구상의 핵융합장치에서는 1억도 이상의 온도가 필요하다 그 이유는 태양의 거대한 중력이 높은 에너지의 이온을 잡아두고 있어 다른 이온과 충돌하여 핵융합반응이 일어날 확률을 높여주기 때문이다. 핵융합로에서는 이온의 가둠시간이 짧기 때문에(수초 내외) 밀도를 높이든지 온도를 올려주어야 확률을 높일 수 있다. 플라스마가 생성되면서 자기장의 세기를 급격히 변화시키면 변압기처럼 플라스마가 이차측 코일과 같은 역할을 하면서 전류가 흐르게 된다.
  이 전류는 전선에 흐르면서 열을 발생시키는 것 같이 플라스마에 줄의 열 (Joule’s heat)을 발생시키면서 플라스마를 가열하게 된다. 하지만 플라스마 온도가 수천만도 이상이 되면 플라스마의 전기저항이 약해지면서 줄의 열이 적어지며 가열효과가 약화된다. 따라서 추가적인 가열방법이 필요하게 되는데 강한 에너지를 가진 중성입자빔을 플라스마 내로 입사시켜 그 충돌에너지로 가열시키는 방식과 플라스마내에 고주파나 마이크로파를 흘려 플라스마를 가열하는 방식이 많이 쓰이고 있다.
  토카막에서 플라스마가 안정화되려면 플라스마에 전류가 계속 흐르면서 그것에 의한 폴로이달 방향의 자기장이 존재해야 한다. 초기의 자장에너지는 플라스마에 계속적으로 투입할 수 없으므로 플라스마에 전류를 흘릴 수 있는 다른 방법을 모색해야 하는데 최근에는 마이크로파를 이용한 전류구동시스템이 개발되어 사용되고 있다. KSTAR에서도 중성입자빔과 고주파, 마이크로파를 이용한 플라스마 가열장치와 마이크로파를 이용한 전류구동장치를 장착할 예정이다.

맺는말

  한국의 태양을 의미하는 KSTAR는 초전도 자석을 이용한 토카막이라는 핵융합 실험장치를 이용한 한국의 차세대 핵융합 연구 프로그램이다. 핵융합반응을 일으킬 수 있는 여러 가지 방법 중에서 토카막이라는 특별한 장치를 선택한 것은 1960년대 구 소련과학자에 의해 개발된 이래 가장 많이 연구된 방식이며 또한 가장 좋은 연구결과를 보여주고 있기 때문에 KSTAR의 건설이나 운전에 필요한 자료나 정보가 풍부하고 수집하기도 쉽기 때문이었다. 또한 진행중인 ITER (International Tokamak Experiment Reactor)이라는 국제공동 핵융합로 건설 사업에서도 토카막 형태를 선택하고 있기 때문에 KSTAR에서 얻어진 연구 결과의 이용이나 연속성이 보장됨으로 말미암아 세계 핵융합 연구에의 기여도가 커진다는 점도 큰 장점이라 하겠다.
  2002년 현재 KSTAR 프로그램은 설계의 기술적 독특성과 함께 핵융합 발전로 개발 단계에 필수적인 이론적, 기술적 문제들을 검증할 수 있는 성능을 갖추고 있기 때문에 세계 핵융합 연구계의 주목을 받고 있다. 그것은 세계 최초로 전자석을 모두 초전도자석을 사용하여 설계한 것과 플라스마를 핵융합반응 조건을 유지하면서 지속적으로 유지시키는 운전방식을 처음으로 실험할 수 있도록 운영된다는 점인데 이는 기존 핵융합 연구장치가 수십초 정도의 지속시간을 가졌던 것의 한계를 넘게 되어 처음으로 토카막에서의 정상상태운전을 달성할 수 있다는 기대감을 주었으며 그 긴 지속시간동안 여러가지 진단장치와 제어장치의 도움을 받아 플라스마의 상태가 항상 최적의 핵융합 반응 조건에 맞추어지도록 자동 제어하는 운전방식을 처음으로 적용할 수 있어 핵융합 발전로 개발에 필요한 상용화 기술의 시험무대가 될 것이다.
  KSTAR는 세계 최고의 첨단 핵융합 실험연구 장치를 지향하고 있다. 이 장치가 운영되기 시작하는 2005년경부터 우리나라는 핵융합 실험을 본격적으로 실시하게 될 것이다. 아직 상용화되기 위한 모든 핵융합기술을 개발하는 데는 20 - 30년의 시간이 더 필요하다. 그러나 KSTAR는 핵융합 발전 상용화의 노정에서 중요한 이정표로 우뚝 세워질 것이다.
  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 체계화하여 산업화할 수 있는 기회가 마련될 것으로 기대하고 있으며, 이 프로젝트에 참여한 대학, 연구소와 산업체 연구개발 인력에 의해 우리나라 기초과학 연구의 발전에 필수적으로 요구되는 첨단 연구장치들의 국내 개발·제작의 기반을 만드는 데도 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KSTAR는 1995-2004년까지 2480억원(약 2억 달러)을 들여 완성하는 계획으로 추진되고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<KSTAR 최종완성 조립도>