[대한뉴스] 한국원자력연구원(원장: 朴昌奎)이 ‘인공태양’ 핵융합 에너지 구현을 위한 ‘차세대 초전도 핵융합연구장치’(KSTAR)의 핵심부품인 ‘중성입자빔 가열장치’를 순수 국내기술로 개발하고, 세계 최장시간 연속 운전하는데 성공했다. 이로써 한국원자력연구원은 오는 8월 완성을 앞둔 KSTAR의 3대 가열시스템 가운데 고주파(RF파)를 이용한 ‘이온공명 가열장치’(ICRH; Ion Cyclotron Resonance Heating) 등 2개의 가열장치를 잇달아 개발하는데 성공했다.

한국원자력연구원 핵융합공학기술개발센터 오병훈 박사팀은 핵융합 플라즈마 가열시스템의 하나로 자체 개발한 ‘중성입자빔 가열장치’(NBI; Neutral Beam Injection)를 1.6MW 빔출력에서 300초 연속 운전하는데 성공했다고 밝혔다. ‘중성입자빔 가열장치’는 수소 양이온 입자들을 높은 전압을 이용해서 빠른 속도로 가속한 뒤 중성화시켜서 핵융합 장치 내부의 플라즈마에 충돌시킴으로써 플라즈마가 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 충분한 온도로 올라가게 해주는 보조 가열장치다. 융합을 위한 토카막 플라즈마는 장치 자체의 저항가열로 섭씨 약 2,000만도까지 가열되지만 핵융합이 가능한 섭씨 1억도 이상까지 온도를 끌어올리기 위해서는 여러 가지 가열장치가 필수적인데, 중성입자빔 가열장치는 그 중에서도 가장 신뢰도가 높은 장치다.

중성입자빔 가열장치는 원하는 에너지의 이온 빔을 만들어내는 ‘이온원’, 이온빔을 중성화시키기 위한 ‘중성화 장치’, 중성화가 안 된 빔을 따로 분리해내기 위한 ‘전자석’, 분리된 이온 빔을 안전하게 냉각시키는 ‘이온 덤프’ 등으로 구성되어 있다. 이온원을 포함해서 복잡한 구조의 부품들을 높은 열 및 이온빔 부하에 견딜 수 있도록 제작하는 것이 기술적으로 쉽지 않아 우리나라보다 핵융합 연구 역사가 오랜 선진국들도 중성입자빔 가열장치의 연속운전을 쉽게 시도하지 못하고 있다. 지금까지 중성입자빔 장치의 최장 시간 운전은 일본 LHD 장치에서 기록한 0.2MW 빔출력에서 123초 연속 운전이다.

한국원자력연구원은 지난 1996년 중성입자빔 가열장치의 기초설계에 착수, 12년간에 걸쳐 모든 부품들을 국내에서 개발하여 장치를 완성하였고, 최근 순간 빔출력을 5.2 MW 얻어내는 데 성공한 데 이어, 70KeV, 1.6MW 빔 출력으로 300초 연속으로 중성입자 빔을 인출함으로써 최장시간 운전 세계 기록을 달성하였다.

이는 국내 기술로 개발한 중성입자빔 가열장치의 우수성을 입증함과 동시에 KSTAR의 300초 운전 가능성을 확인한 것으로 핵융합 기술 개발에 큰 의미가 있는 결과이다. 한국원자력연구원에서 개발된 중성입자빔 장치는 국제적으로도 인정받아 다음 달 일본 핵융합 연구진의 요청으로 일본이 개발 중인 차세대 토카막 이온원의 2MW 300초 검증실험을 수행할 예정이다. 또한 핵심부품을 100퍼센트 국산화함으로써 장치 제작비용도 240억원(8MW 기준)으로 미국(약 560억원)과 일본(360억원,이상 추정)에 비해 경쟁력을 확보하게 됐다.

오병훈 한국원자력연구원 핵융합공학기술개발센터 책임연구원은 “중성입자빔 가열장치의 300초 연속 운전 성공은 지금까지 수십 초 운전에 머물던 토카막 장치가 300초 이상 가동도 가능하다는 것을 의미하는 고무적인 결과”라며 “이번 에 300초 연속운전과 5.2MW 순간출력을 얻어 내는 데 성공함으로서 KSTAR가 최종적으로 필요로 하는 8MW 출력의 중성입자빔 가열장치 기술을 국내기술로 확보하게 됐다”고 밝혔다.

이종덕 기자

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