▲ KSTAR 가열장치실에 설치된 170GHz 고출력 마이크로파 가열 및 전류구동 시스템.
[투데이에너지 김병욱 기자] 국가핵융합연구소(소장 이경수)는 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합장치인 KSTAR에 ITER 마이크로파(혹은 초고주파) 가열을 위해 개발된 ‘170GHz 마이크로파 전자공명 가열 및 전류구동(ECH/CD) 시스템을 세계 최초로 설치하고 이를 이용한 핵융합 장치의 초기 시동 및 플라즈마 가열에 성공했다.

2일 핵융합연구소에 따르면 현재 개발된 장치 중 가장 높은 주파수를 가진 ‘170GHz 마이크로파 전자공명 가열 및 전류구동(ECH/CD)시스템’은 핵융합 장치에서 생성되는 플라즈마의 부분적인 가열 및 전류분포 제어에 가장 효과적인 장치로 인식되고 있으며 국제핵융합실험로(ITER)를 포함한 미래 핵융합로의 가열장치 분야 핵심기술로 평가되고 있다.  

이번 성과는 핵융합 가열장치의 시스템개발 초기단계에서부터 시스템 개발 및 통합과 실제 핵융합장치에 적용하는 단계까지 ITER사업에 참여하는 한·미·일 등 다국 간 국제협력 프로그램을 통해 이뤄진 대표적인 과학기술 분야의 국제협력 성공 사례로서 의미가 크며 향후 핵융합 분야의 국제적 협력 연구에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

이번 실험에 사용된 ECH/CD 가열 시스템의 가장 핵심부품인 170GHz, 1MW급 자이로트론 발진기는 ITER 장치의 가열을 위해 일본에서 개발된 최신 장치로 KSTAR에는 한·일 핵융합협력 약정을 기반으로 지난 7월 일본원자력연구개발기구(Japan Atomic Energy Agency, JAEA)로부터 무상으로 임대 받아 설치됐다.

또한 초고주파의 위치 제어가 가능한 마이크로파 빔 입사 장치는 미국 프린스턴플라즈마물리연구소(Princeton Plasma Physics Lab, PPPL)와 국내 KSTAR 공동연구거점센터 중 하나인 포스텍( POSTECH)의 ‘플라즈마 진단 및 정상상태 연구센터’(박현거 센터장)가 공동으로 개발, 지난 4월 KSTAR에 설치된 바 있다.
 
핵융합연구소의 KSTAR 운영사업단은 자이로트론 운전용 대용량 고전압 전원장치 및 통합 제어 시스템을 성공적으로 개발·설치, 최대 0.5MW급에 준하는 170GHz 마이크로파 빔을 KSTAR 장치에 입사하는 실험에 성공하게 됐다.

170GHz ECH/CD 시스템은 미래 핵융합로에서의 플라즈마 전자가열과 플라즈마 전류분포 불안정(instability)성을 억제하고 제어하는 데 필수적인 시스템으로 평가되고 있으며 이를 위해 자이로트론 발진기 및 주요 핵심 부품의 개발을 위해 ITER 회원국 간 국제협력이 활발히 진행되고 있다.

이에 따라 170GHz ECH/CD 장치의 KSTAR 최초 적용은 세계 핵융합 전문가들의 관심을 받고 있으며 향후 ITER 장치의 가열장치 개발, 설치 및 시운전 뿐 아니라 ITER 초기 시동 시나리오 개발에 기여하는 바가 클 것으로 기대되고 있다.
 
권면 핵융합연구소 KSTAR 운영사업단장은 “이번 성과는 ITER에 적용될 가열 시스템의 기본실험이 국제핵융합공동연구장치로 주목받고 있는 KSTAR에서 먼저 수행되었다는 물리적 의미뿐만 아니라 인적·물적으로 대규모의 투자가 요구되는 거대장치 개발에 각 국의 기술적 우월 분야를 통합, 시스템을 최적화 한 국제협력의 대표적 성공사례로 타 연구분야에도 큰 의미를 가진다”고 밝혔다.

한편 지난 4월부터 4번째 장치 가동에 들어간 KSTAR는 현재 플라즈마 발생 실험을 진행 중이며 8월 말까지 플라즈마실험을 진행한 후 장치 승온 작업 등을 통해 9월말 가동을 마칠 예정이다. 

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