2008년 첫 불꽃을 밝히며 대한민국을 단숨에 세계 핵융합 연구의 선두로 밀어올린 한국의 인공태양은 요즘 제2의 대도약을 앞두고 숨고르기가 한창이다. 변화의 큰 조짐은 외관에서 먼저 감지되고 있다. KSTAR 주장치실이 있는 핵융합실험동 옆에는 최근에 없던 새로운 시설물 하나가 눈에 띈다. 아파트 약 7층 높이의 이 은회색 플랜트 건물은 특히 전면에 도장된 선명한 표식이 시선을 잡아끈다. KSTAR의 새로운 진화를 예고하는 가열장치 ‘NBI-2’가 그것이다.

고참급 가열장치 ICRH와 ECH

2017년 현재 약 7천만 도를 상회하는 KSTAR의 플라즈마 가열에는 총 3가지의 장치가 다양한 연구목적에 맞춰 혼합 사용되고 있다. 이온공명과 전자공명, 그리고 중성입자빔 가열장치가 그것이다.

그 중 이온공명가열장치(ICRH, Ion Cyclotron Range of frequency Heating)는 2008년 국내기술로 완성되어 최초 플라즈마 발생 실험부터 활약해온 고참급 가열장치다. 이온공명가열장치는 가열파워가 0.5MW 급으로 그리 높지 않지만 KSTAR 내부를 초고진공 상태로 만들고 불순물을 제거하는 방전세정(Discharge Cleaning) 연구에 이용되고 있다. 또한 앞으로 찾게 될 플라즈마의 최적 운전 조건에 따라서는 여전히 미래 상용핵융합로의 가열장치로 활약할 가능성이 커 한계점들을 극복하기 위한 연구개발이 활발하다.

 전자공명가열장치(ECH, Electron Cyclotron Heating) 역시 KSTAR의 첫 플라즈마 발생 실험에 지대한 공로를 세운 가열장치다. 전자공명가열장치는 가열 원리가 이온공명가열장치와 비슷하지만 공명 주파수 대역이 전자의 회전 주파수와 일치한다는 특성이 있어 특히 KSTAR 내의 자기장 분포나 전자기파의 방사 방향에 따라 매우 다양한 연구개발에 사용될 수 있는 다목적 가열장치다.

 2013년 ECH를 활용해 불순물 제거 실험에 성공한 사례가 대표적이다. 토카막 내부의 불순물은 플라즈마 입자와 열의 손실을 일으키는 중요한 요인이기 때문에 플라즈마 발생 실험에서는 제거해야할 대상이다. 하지만 한 번 발생한 불순물은 잘 빠져나오지 않아 핵융합 연구자들이 골머리를 앓는 난제였다. KSTAR 연구진은 ECH가 다양한 대역의 초고주파로 특정 부분을 가열할 수 있다는 점에 착안해 핵융합 플라즈마 중심부의 불순물을 선택적으로 제거할 수 있는 기술의 향상에 큰 공을 들이고 있다.

팔방미인 가열장치 ECH는 지난 2011년 1MW를 시작으로 최종 6MW를 목표로 출력을 증강 중이며 KSTAR의 최종 목표인 고성능 플라즈마 300초 운전, 나아가 미래 핵융합 상용로의 주 동력원으로서 가능성을 검증받고 있다.


세계 최고 플라즈마 운전 성과 이끈 NBI-1, ‘1억도’ 이끌 NBI-2

NBI(Neutra Beam Injection)는 앞서 소개한 ECH와 함께 미래 핵융합상용로의 가장 강력한 가열장치 후보로 기대를 모으고 있다. 이는 오늘날 KSTAR가 고성능 플라즈마 운전에 있어 다른 장치가 따라올 수 없는 성과를 보여주게 하는 가장 핵심적인 가열장치이기도 하다.
    
 KSTAR는 현재 약 9.5MW의 가열 출력을 확보하고 있다. 최근 플라즈마 100초 운전으로 화제를 모은 중국의 핵융합장치 EAST가 34MW급의 가열장치를 설치 완료한 것과 비교하면 3분의 1에도 못 미치는 수준이다.

 하지만 이런 EAST의 대규모 물량 공세에도 불구하고 여전히 국제 핵융합계의 눈은 KSTAR의 미래에 쏠려 있다. 최종목표인 핵융합 상용화의 가능성에서 여전히 범접하기 힘든 비교우위에 서 있기 때문이다. 특히 EAST가 34MW의 출력에도 불구하고 플라즈마 온도를 4천만도 밖에 끌어올리지 못하는 사이, 채 10MW에도 못 미치는 가열장치만으로도 이미 7천만 도에 도달한 KSTAR의 가열장치 효율성은 미래 핵융합발전의 중요한 키워드가 될 ‘투입 대비 성능’ 부문에서 여전히 압도적이다. 

 KSTAR는 2010년 처음 2MW의 NBI-1 가열장치를 장착해 플라즈마 온도를 수천만 도로 끌어올리며 초고온 고성능의 H-모드를 달성했다. 당시 새로 도입된 NBI는 우리나라 핵융합계가 세계 어느 나라에서도 시도해보지 못한 도전적인 연구에 나설 수 있도록 하는 기폭제 역할을 했다. 연구진들은 기존 가열장치들과 NBI-1의 조합을 통해 최대 출력의 90%까지 가열파워를 높인 상태에서 1분 이상의 장시간 운전에 성공할 수 있었다. 이렇게 NBI-1을 첫 번째 도약대로 장시간 고성능 플라즈마 발생의 토대를 마련한 KSTAR는 이후 해를 거듭할수록 질과 양 모든 측면에서 성과를 눈덩이처럼 불리며 선두주자의 위치를 공고히 하게 된다.

2017년 현재 새로 설치되고 있는 NBI-2는 대한민국 핵융합 연구를 두 번째 대도약으로 이끌 ‘슈퍼루키’라 할 수 있다. 2025년 가열파워 30MW를 목표로 추진되고 있는 KSTAR 가열장치 업그레이드에 있어 무척 중요한 반환점이다. 특히 온도만 높이는 단순한 가열장치가 아니라는 점에서 더욱 그렇다.

 NBI-2는 NBI-1과 달리 플라즈마의 위와 아래 두 곳에서도 중성입자빔을 주입하도록 설계되어 있다. 플라즈마 중심에서 가장자리까지 골고루 가열하는 방식이다. 이 말은 즉 단순히 플라즈마의 온도만 높일 수 있는 것이 아니라 가열분포의 자유도를 높여 플라즈마를 원하는 방향으로 제어할 수 있는 가능성이 열린다는 뜻이다.

 내년 3월까지 설치가 진행되는 NBI-2는 내년 운전성능 점검을 거쳐 2019년 본격적으로 완전가동에 들어갈 것으로 계획되고 있다. KSTAR는 NBI-2의 설치를 바탕으로 플라즈마 온도 1억도 이상의 달성하는 것을 목표로 하고 있으며, 이후 새로운 차원의 핵융합 연구 단계에 들어설 수 있을 것으로 기대하고 있다.