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한국의 인공태양 운전방식 세계가 인정
핵융합 플라즈마 운전법 '네이처'에 발표
향후 핵융합 실증로 운전 기술개발에 기여
출처 : 파이낸셜뉴스 2022. 09. 08. 김만기 기자
[파이낸셜뉴스] 한국의 '인공태양'인 초전도핵융합연구장치(KSTAR)을 운전하는 방식이 세계 과학기술계에서 인정 받았다. 한국핵융합에너지연구원의 KSTAR 연구본부가 지난해 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합발전의 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마 운전을 30초간 유지하는 데 성공한바 있다. 이때 적용한 독창적 운전방식이 세계적 국제학술지 '네이처(Nature)'에 8일(한국시간) 발표됐다.
고속이온의 물리적 이해를 바탕으로 한 이번 성과는 향후 국제핵융합실험로(ITER) 및 핵융합 실증로 운전 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부에 따르면, 핵융합에너지연구원과 서울대 공동 연구팀은 KSTAR의 초고온 핵융합 플라즈마 운전 성과를 분석해 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식을 발견했다.
핵융합 에너지는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응 과정에서 나오는 에너지다. 우리나라를 포함한 주요 선진국들이 지구에서 인공적으로 핵융합 반응을 만들어 미래 에너지원으로 활용하기 위해 공동으로 개발하고 있다.
핵융합 에너지를 만들기 위해서는 초고온·고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가두는 기술이 필요하다.
가장 대표적인 플라즈마 운전 방법은 고성능 플라즈마 운전 모드라 불리는 'H-모드'다. 이는 상용로 운전을 위한 기본 핵융합 플라즈마 운전 방법으로 알려져 있으며, 차세대 운전 방법 개발의 기준 지표가 되고 있다.
하지만, H-모드에서는 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하는데, 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생한다. 이 현상은 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다.
핵융합 연구자들은 ELM을 제어하는 방법을 연구하는 한편, 더욱 안정적인 플라즈마 운전 모드를 찾기 위해 노력하고 있다.
국내 연구진은 KSTAR의 운전데이터 분석과 시뮬레이션을 검증하는 과정에서 새로운 현상을 발견했다. 핵융합에너지연구원 한현선 박사는 "플라즈마를 가열할때 발생한 높은 에너지의 입자들이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 온도를 급격히 높였다"고 설명했다. 연구진은 이를 새로운 운전모드인 '빠른 이온 조절 기능 향상(FIRE) 모드'로 명명했다.
이는 기존 H-모드 대비 플라즈마 성능을 개선했다. 이와 동시에 H-모드의 단점인 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않고, 운전 제어도 용이하다는 장점이 있다.
즉 미래 핵융합 상용로의 플라즈마 운전 기술 확보를 위한 새로운 가능성을 연 셈이다.
서울대 나용수 교수는 "FIRE 모드는 예측한 대로 실험이 진행되지 않았던 실패한 실험 결과를 분석하다가 새롭게 얻어진 창의적인 결과물"이라고 설명했다. 이어서 "한국의 핵융합 연구가 기존과 다른 독창적인 방식으로 이뤄질 수 있음을 보여준 사례"라고 말했다.
“핵융합발전 상용화 난제해결” 韓 핵융합 운전기술 전세계가 주목
- 핵융합연구원·서울대 공동연구, 새 운전방식 ‘FIRE 모드’ 개발
출처 : 헤럴드경제 2022. 09. 08.
[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 미래 청정에너지원으로 주목받고 있는 핵융합 발전상용화를 위한 가장 큰 난제를 해결했다.
과학기술정보통신부는 한국핵융합에너지연구원과 서울대 공동 연구팀이 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 초고온 핵융합 플라즈마 운전 성과를 분석, 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식(mode)을 발견했다고 8일 밝혔다.
지구 상에서 태양과 같이 핵융합 반응으로 에너지를 만들기 위해서는 초고온·고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가두는 기술을 확보하는 것이 핵심이다.
가장 대표적인 플라즈마 운전 방법은 고성능 플라즈마 운전 모드라고 불리는 H-모드로, 이는 상용로 운전을 위한 기본 핵융합 플라즈마 운전 방법으로 고려되며, 차세대 운전 방법 개발의 기준 지표가 되고 있다.
하지만 H-모드에서는 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하기 때문에 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상(이하 ELM)이 발생하므로, 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다.
핵융합 연구자들은 ELM을 제어하는 방법을 연구하는 한편, 더욱 안정적인 플라즈마 운전 모드를 찾기 위해 노력하고 있다.
연구진은 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 운전데이터 분석과 시뮬레이션 검증을 통해, 플라즈마 가열시 발생한 고속이온(높은 에너지의 입자들)이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 온도를 급격히 높이는 현상을 발견하고, 이를 새로운 운전모드인 ‘FIRE 모드’로 명명했다.
이는 기존 H-모드 대비 플라즈마 성능을 개선함과 동시에 H-모드의 단점인 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않고, 운전 제어도 용이하다는 장점이 있어 미래 핵융합 상용로의 플라즈마 운전 기술 확보를 위한 새로운 가능성을 열었다는 평가다.
이번 연구성과는 지난 몇 년간 초전도핵융합연구장치(KSTAR)에서 달성한 초고온 플라즈마 장시간 운전 성과의 독창성이 일반 학계에서도 인정받았다는 것에 의의가 있다. 고속이온의 물리적 이해를 바탕으로 향후 국제핵융합실험로(ITER) 및 핵융합 실증로 운전 기술 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.
한현선 한국핵융합에너지연구원 박사는 “이번 연구성과는 플라즈마의 밀도·온도·가둠시간이라는 핵융합 실현의 세 가지 조건 중에서도 특히 온도 측면에 집중해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 가열 성능을 플라즈마 중심부에 집중시키는 새로운 접근이 있었기에 가능했던 결과”라며 “FIRE 모드와 고속이온에 대한 추가 연구를 통해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 1억도 초고온 플라즈마 운전성능 및 지속시간도 더욱 향상될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구결과는 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처’ 9월 8일 게재됐다.
"실패에서 배웠다" 핵융합 안정화 기술 세계 최초 개발
최후의 고효율 청정 에너지 핵융합 발전
서울대 KAIST 한국핵융합연구원 연구진
새로운 플라즈마 운전 방식 찾아
세계 3대 학술지 '네이처'에 게재
출처 : 한경닷컴 2022. 09. 08. 이해성 기자
'인류 최후의 청정 에너지원' 핵융합 발전의 난제인 플라즈마 터짐 현상을 해결할 수 있는 실마리를 국내 연구진이 세계 최초로 찾았다.
과학기술정보통신부는 한국핵융합에너지연구원과 서울대, KAIST 공동 연구팀이 초전도핵융합연구장치(KSTAR) 내 새로운 플라즈마 운전방식을 찾아 해당 논문을 세계 3대 학술지 '네이처'에 실었다고 8일 발표했다.
핵융합 발전은 중수소와 삼중수소를 섞은 뒤 플라즈마 형태로 1억 도 이상 가열할 때 발생하는 막대한 에너지로 증기터빈을 데워 전기를 발생시키는 것을 말한다. 플라즈마는 고체-액체-기체에 이은 물질의 '제 4의 상태'로, 원자핵과 전자가 분리돼 이온화된 물질이다. 번개, 오로라 등이 플라즈마다. 핵융합 발전은 원자력발전 이상의 효율을 내면서도 고준위 방사성폐기물을 발생시키지 않아 '궁극의 친환경 발전소'로 불린다.
현재 프랑스 남부 카다라슈에서 유럽연합(EU) 주도로 전기출력 200㎿급 핵융합 발전소인 국제핵융합실험로(ITER)가 건설되고 있다. ITER는 2025년 완공해 2040년까지 운영하는 게 목표다. 20만 가구가 쓸 수 있는 전기를 생산하는 이 실험로가 성공하면, 추후 2000㎿급 핵융합 상용 발전소를 건설할 예정이다. ITER 프로젝트는 현물출자 지분 비율상 EU가 45%로 의장국이며, 미국 중국 일본 러시아 인도 한국이 각각 약 9%씩 분담하고 있다.
한국핵융합연이 운영중인 KSTAR는 ITER를 25분의 1 크기로 축소한 모의 실험시설이다. 2007년 완공돼 현재까지 가동중이다. 지난해 플라즈마 1억도에서 30초 운전에 성공했다.
플라즈마는 나타났다 금새 사라지기 때문에 이를 장시간 가두는 기술 확보가 중요하다. D자형 도넛 모양의 거대시설 '토카막'이 플라즈마를 가둬 둥둥 떠다닐 수 있게 하는, 일명 '플라즈마 운전' 장치다. 토카막은 절대영도(0K)에 가까운 4K(영하 269도)에서 가동된다.
그동안 대표적인 플라즈마 운전 방식은 H-모드였다. 1982년 독일이 처음 발견했으며 ITER, KSTAR 모두 이 방식을 채택하고 있다. 그러나 H-모드에선 플라즈마 가장자리에 생기는 압력이 지나치게 커져 플라즈마가 갑자기 터져버리는 '경계면 불안정 현상(ELM)'이 있어 이를 해결하는 데 전세계 연구자들이 골몰하고 있었다.
핵융합연 한현선 책임연구원과 박상진 서울대 에너지시스템공학부 석·박사과정 연구원(공동1저자), 나용수 서울대 원자핵공학과 교수(교신저자) 연구팀은 ELM이 없는 새로운 플라즈마 운전 모드 '파이어(Fire:Fast Ion Regulated Enhancement)'를 제안했다. 플라즈마 가열시 생기는 고속 이온을 활용해 중심부에 에너지를 집중하고, 결과적으로 플라즈마 전체적으로 내부 난류를 안정화시켜 ELM을 방지하는 운전방식이다.
1저자인 한현선 책임은 "핵융합 실현의 세가지 조건인 플라즈마의 밀도, 온도, 가둠시간 가운데 온도에 집중해 연구했다"고 설명했다.
한 책임은 "그동안 누적된 KSTAR 실험 결과만으론 차후 상용 핵융합발전소 안에서 고속 이온이 충분한 역할을 할 수 있을지 판단하기 어려웠지만, KAIST 성충기 교수팀이 비선형 전산모사를 통해 우리가 예측한 결과를 지지하는 수치 데이터를 도출한 덕에 연구가 성공할 수 있었다"고 공을 돌렸다.
나 교수는 "파이어 모드 플라즈마 운전은 예측한 대로 진행되지 않았던 실패한 실험 결과를 면밀히 분석하다가 새롭게 발견한 의외의 성과"라며 "한국의 핵융합 연구가 독창적 방식으로 이뤄진다는 것을 보여줬다"고 말했다. 이번 연구는 과기정통부 선도기술센터 사업의 지원을 받았다.
현대중공업, 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트 4개 부문 프랑스로 운송
출처 : 글로벌이코노믹 2022. 02. 07. 박정한 기자
현대중공업이 국제핵융합실험로(ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor) 열핵 원자로에 들어가는 4개 부문 부품을 프랑스로 보냈다.
현대중공업은 ITER 프로젝트를 위한 열핵 원자로 작업의 끝에서 두 번째 부분 생산을 완료했다. 이 부품은 이미 프랑스로 가는 중이다.
프랑스에서 전문가들에 의해 승인을 받고 그 자리에 원자로 샤프트에 설치될 예정이다. 작업 마지막 부분은 생산 마지막 단계에 있으며 90% 준비되었다. 따라서 연말까지 원자로 작업 구역의 용기가 완전히 조립될 예정이다.
◇ITER 개발사업
ITER 개발사업은 미래 청정에너지인 핵융합에너지의 상용화 가능성을 과학기술적으로 최종 실증하기 위한 대형 국제공동 과학기술 프로젝트다.
태양 중심처럼 1억 도가 넘는 초고온 플라즈마 상태에서 가벼운 수소 원자핵들이 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌도록 인위적으로 핵융합 반응을 일으키고, 이때 나오는 엄청난 에너지를 얻는 장치가 핵융합로다. 현재 프랑스 남부 카다라쉬 지역에서 국제 공동사업으로 건설되고 있다.
ITER 사업은 인류 역사상 최대 규모의 국제 공동 프로젝트로서 사업비만 약 79억 유로에 달한다. 우리나라를 포함해 미국, 러시아, 유럽연합, 일본, 중국, 인도 등 7개국이 참여하고 있다.
◇열핵 원자로 제작은 올 연말 완료 예상
1억5000만 도로 가열된 플라즈마가 보관될 원자로 작업 구역의 몸체는 9개 섹터로 나뉜다. 5개 부문은 EU에서 제조되었고 4개 부문은 한국이 위탁 제조 한다. 이는 ITER 프로젝트에 대한 각 국가의 물질적 기여다.
각 섹터는 장비의 도움으로 수직으로 위치하며 그 후 인접 섹터가 서로 용접된다.
작업실을 위한 여러 장비가 러시아에서 생산되며, 그 인도는 이미 ITER 현장에서 수행되고 있다. 고온 플라즈마에 대한 보호를 위한 원자로 노심의 내부 라이닝용 플레이트는 인도에서 생산된다. 모든 참여 국가들이 이미 일정보다 늦었지만 건설 작업은 조정되고 있다.
한국은 2012년 이중벽 체임버의 첫 번째 부문을 제조했다. 이 부문은 2020년 ITER로 옮겨졌다. 긴 생산 주기로 인해 한국에서 주문한 나머지 원자로 부문들이 프랑스에 도착하면서 서로 병렬로 제조하기 시작했다.
이제 마지막 섹터가 운영 중이며 생산이 90% 완료되었다. 원자로 노심용기의 마지막 부분은 올해 말 이전에 제조되어 ITER 현장에 인도될 예정이다.
과기정통부, 국제핵융합실험로에 박사후연구원 3명 파견
출처 : 연합뉴스 2022. 08. 31.
(서울=연합뉴스) 문다영 기자 = 과학기술정보통신부(과기정통부)는 미래 핵융합 연구를 선도해나갈 박사후연구원 3명을 9월 1일 자로 국제핵융합실험로(ITER) 국제기구에 파견한다고 31일 밝혔다.
ITER은 핵융합에너지 대량 생산 가능성 실증을 위해 미국, 러시아, 유럽연합(EU), 일본, 중국, 한국, 인도가 공동으로 개발·건설·운영하는 대형 초전도 핵융합 실험로다. 이 사업 총사업비의 45.46%를 EU가 부담하며, 나머지 6개국이 9.09%씩 분담한다.
과기정통부는 올해부터 'Korea-ITER 박사후연구원 지원사업'을 신설하고 대한민국 국적을 가진 5년 이내 박사학위 취득자를 매년 3명씩 선발해 ITER 기구에서 2년간 근무하도록 지원한다.
올해 배출된 3명의 연구원은 ITER-한국사업단 공동선발위원회의 심사를 거쳐 선정됐다.
이들은 앞으로 2년간 ITER 국제기구 소속 직원으로 엔지니어링 부문에서 2명, 과학·운전 부문에서 1명이 근무하게 된다.
이 사업은 한국의 차세대 전문인력 양성이 ITER 사업의 성공에 기여할 수 있다는 과기정통부와 ITER 기구와의 공감대에 따라 추진되는 것이라고 과기정통부는 설명했다.
국제공동 인공태양 프로젝트 개요
(ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor)