1억도 이상 초고온 플라즈마 만드는 핵융합 보조가열장치 개발중

원자력연구원 오병훈 박사

8월 완공예정 'KSTAR'에 장착

중성입자빔 가열장치. 왼쪽의 사각형 구조물이 진공챔버이고 가운데 부분이 이온 원(Ion Source) 발생장치, 오른쪽은 고전압 장치로 구성돼 있다.

지상의 인공태양으로 불리우는 핵융합 장치가 작동하려면 1억℃ 이상의 초고온 플라즈마가 필요하다. 이러한 초고온 플라즈마를 만들어내는 것과, 1억℃를 유지하는 것은 매우 어려운 과제다.

한국원자력연구원 핵융합공학기술개발센타의 오병훈 박사(사진ㆍ49)는 핵융합 장치의 플라즈마를 1억도까지 올려주는 가열장치를 개발중이다. 국내 최초의 핵융합 장치로 올 8월 완공예정인 'KSTAR'에 장착되는 보조 가열장치이다.

오박사팀이 개발중인 가열장치는 '중성입자빔(Neutral Beam) 가열장치'와 '이온공명가열장치(Ion Cycrotorn Resonance Heating)' 등 두 종류이다. '중성입자빔 가열장치'는 이온 입자에 전력을 걸어 속도를 가속시킴으로써 고온을 만들어 낸다.

즉 엄청난 속도로 가속된 이온 입자가 핵융합 장치 내부의 플라즈마에 충돌함으로써 초고온이 만들어진다. 여기에는 양 전하를 가진 입자를 중성화시켜야 하는 과정이 필요하고, 이를 분리해내는 기술이 요구된다.

오 박사는 "KSTAR는 초저온의 초전도 자석을 이용해 플라즈마를 통제하기 때문에 이 초전도 자석의 자기장에 영향을 받지 않고 플라즈마를 가열하는 중성입자빔을 사용한다"고 설명한다.

'이온공명가열장치'는 고주파를 이용한다. 원리는 전지렌지와 같이 특정 주파수의 마이크로웨이브를 플라즈마에 쏘아 고온을 만들어 낸다. 즉 플라즈마와 동일한 주파수의 고주파를 발생시키면 플라즈마의 이온입자는 공명현상을 일으키고, 이 공명현상으로 인해 고온이 발생한다. '이온공명가열장치'는 이미 개발이 마무리된 상태로 KSTAR가 있는 핵융합센터로 옮겨져 재조립 작업을 진행중이다.

반면 '중성입자빔 가열장치'는 KSTAR 건설 완료 후 일정기간 플라즈마 생성작업에 성공한 뒤 플라즈마를 300초 이상 유지하는 실험이 필요한 시기에 맞춰 옮겨질 예정이다. 중성입자빔 가열장치는 높이 4m에 길이가 약 6m, 무게가 20톤에 달하는 대형장비로 이전비용만 20억~30억원이 소요될 전망이다.