한국형 핵융합장치 'KSTAR' [국가핵융합연구소 제공=연합뉴스]

핵융합에너지는 땅 위에서 태양처럼 막대한 에너지를 내는 핵융합 반응을 일으켜 만드는 에너지를 말한다.

화석연료가 필요 없고 원자력에너지와 달리 핵폐기물을 만들지 않아 미래의 친환경 에너지로 주목받고 있다.

하지만 상용화를 위해서는 핵융합장치 내 '플라즈마'(고체·액체·기체를 넘어선 제4의 상태)를 오랜 시간 안정적으로 발생시켜야 한다.

구체적으로 플라즈마의 모양, 성능, 유지 시간 그리고 플라즈마 경계면 불안정성(ELM) 문제를 해결해야 하는 과제가 있다.

이런 가운데 국내 연구진이 플라즈마의 네 가지 운전 조건을 모두 만족하는 핵융합장치 운전 기술을 확보하는 데 성공했다.

국가핵융합연구소는 한국형 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)가 플라즈마 경계면 불안정성(ELM) 현상을 장시간 제어하는 데 성공했다고 9월 12일 밝혔다.

KSTAR 진공용기 내부 [국가핵융합연구소 제공=연합뉴스]

ELM은 핵융합로 안에서 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 초고온의 플라즈마와 그 바깥쪽 간 압력과 온도 차로 인해 발생하는 불안정 현상을 말한다.

핵융합로 내부를 손상시킬 뿐 아니라 플라즈마를 안정적으로 지속시키는 데 방해가 돼 핵융합 상용화를 위해서는 반드시 해결해야 할 난제로 꼽힌다.

한국을 비롯한 미국, 유럽연합(EU) 등 7개국은 땅 위의 인공태양으로 불리는 'ITER'(국제핵융합실험로) 장치를 공동으로 건설 중인데, 기존 핵융합장치들은 ELM 제어와 장시간 유지 조건을 다른 두 가지 조건과 동시에 만족시키지 못했다.

연구소는 올해 플라즈마 실험에서 ITER가 요구하는 플라즈마 모양과 성능 조건 하에서 34초 동안 ELM을 제어하는 데 성공했다.

기존 핵융합 장치의 ELM 해결 시간은 3∼4초 정도로, KSTAR의 성능은 10배가량 높은 것으로 나타났다.

KSTAR는 ITER와 동일한 초전도자석을 사용하는 유일한 핵융합 장치로, 처음으로 운전 조건을 모두 충족해 앞으로 ITER의 운전목표 달성을 가능케 할 것으로 기대된다.

오영국 KSTAR 연구센터 부센터장은 "KSTAR는 지난해 고성능 플라즈마 운전 시간에서 세계 기록을 경신한 데 이어 세계 최초로 ELM을 제어하는 데 성공했다"며 "KSTAR를 통해 핵융합 발전소 운영에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것"이라고 말했다. KSTAR는 1995년부터 2007년까지 국내 기술에 의해 완공됐으며, 2008년 처음으로 플라즈마 발생에 성공한 뒤 가동에 들어갔다.

올해 실험에서 고성능 플라즈마 발생 72초 연속 운전 기록을 달성했으며, 핵융합 반응에 필요한 플라즈마 이온 온도를 7천만도까지 올리는 데 성공했다.

현재 새로운 가열장치인 '중성입자빔 가열장치'(NBI-Ⅱ)를 개발 중이며, 2019년에는 플라즈마 온도를 1억 도까지 올리는 것을 목표로 한다.