핵융합연, KSTAR 활용해 핵심난제 관측…핵융합로 안정 운전 열쇠
▲(左)KSTAR 초천도 토카막 및 ECEI 장치 (중앙의 원으로 표시) 사진. (右)KSTAR ECEI 장치 개념도. 플라즈마 단면도 상에 동시 측정 가능한 두 영역 즉 중심부 (HFS) 및 외곽부(LFS)가 표시되어 있다. ECEI 장치의 광학계는 일반카메라 렌즈와 유사한 구조로 배율 및 초점을 자유롭게 조정할 수 있다. ⓒ2011 HelloDD.com

핵융합 연구 분야의 핵심 난제로 꼽히는 '핵융합 플라즈마 경계면 불안정 현상'의 전 과정이 세계 최초로 관측됐다. 국가핵융합연구소(소장 이경수)는 국내 기술로 개발된 초전도핵융합장치인 KSTAR를 활용, 최첨단 2차원 마이크로파 영상 진단 시스템인 2차원 마이크로파 영상 진단 장치를 통해 '경계면 불안정현상' 전 발달 과정을 세계 최초로 측정하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

경계면 불안정 현상은 KSTAR와 같은 토카막형 핵융합 장치를 이용한 실험 과정에서 고온 플라즈마 경계의 큰 압력 변화로 인해 발생하는 불안정 현상의 하나로, 발생 시 열손실과 장치 내벽에 손상을 주어 ITER장치를 비롯한 핵융합로의 안정적 운전을 위해 반드시 해결해야 하는 난제로 꼽혀왔다.
 
▲KSTAR 플라즈마 (4362번) 중심부에서
발생한 Sawto oth 현상(왼쪽그림) 및 경계부에서
발생한 ELM 현상(오른 쪽그림). 가운데는
플라즈마 단면과ECEI의 측정 영역을 표시한다.
ECEI 장치를 통해 플라즈마 중심부와 외곽에서  
발생하는 불안정성들의 연관성을 연구할 수 있다. ⓒ2011 HelloDD.com
기존의 핵융합장치에서는 진단 장치의 한계로 단순히 일차원적 현상만 측정할 수 있었던 것과 달리, KSTAR에서는 경계면 불안정 현상이 생성 및 붕괴되는 모든 과정을 고해상도의 이차원(공간과 시간) 영상으로 측정 가능했다.

이는 핵융합 물리 연구 및 국제 공동으로 개발하고 있는 ITER장치 운전에서 불안정 현상을 제어하는 기술 개발에 중요한 자료가 될 것으로 기대되고 있다.

이번 실험에 활용된 이차원 영상장치는 기존 핵융합 진단 장치의 한계를 넘어 3차원 공간에서 발생하는 핵융합 플라즈마 현상들을 연구하기 위해 포스텍에서 개발, 지난해에 KSTAR에 설치됐다.

연구진에 따르면 내년에는 세계 최초로 3차원 영상 측정을 시도할 예정이다. 권면 핵융합연 KSTAR운영사업단장은 "이번 성과는 국내 핵융합 연구의 중심장치로 운영되고 있는 KSTAR를 활용한 국내 학·연 공동 연구의 대표적인 성과로, 앞으로도 포스텍을 비롯한 KSTAR 공동연구거점센터를 중심으로 핵융합 연구를 위한 장치 개발 및 실험을 활발히 진행할 것이며, ITER 장치의 성공적 운영에 큰 기여를 하게 될 것"이라고 말했다.
 

◆ 용어설명 ▲KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research): 미래의 무한 에너지 자원인 핵융합에너지의 개발을 위해 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합장치로 세계 최초로 ITER와 동일한 초전도 재료로 제작되었으며, 1995년부터 2007년까지(약12년간) 주장치 완공 후, 2008년 최초플라즈마 발생에 성공하여 장치성능을 입증하고 본격가동 단계에 진입한 연구시설. ▲경계면불안정 현상 (Edge Localized Mode : ELM): 토카막형 고온 플라즈마 경계 면에서의 큰 압력 변화로 인해 발생하는 불안정 (instability) 현상의 하나로서 1980년대 독일의 ASDEX 장치에서 처음 발견되었음. ELM 발생 시 플라즈마 내부의 많은 에너지가 밖으로 유출되면서 토카막 장치의 가둠 성능이 저하되며 유출된 에너지는 토카막 내벽에 큰 손상을 줄 수 있다. 이 때문에 ELM은 ITER 핵융합장치의 안정적인 운전을 위해 반드시 제어되어야 하는 현상으로 인식되어 현재까지 전 세계의 모든 주요 핵융합장치에서 그 발생 메커니즘 및 제어 방법 등이 연구되고 있음. ▲토카막 (Tokamak) : 태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치로 러시아에서 처음 개발되어 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있음. ▲국제핵융합실험로 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor : ITER): 핵융합에너지 상용화를 위한 과학적·기술적 실증을 위하여 우리나라를 비롯하여 유럽연합, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 7개국이 공동으로 핵융합로를 건설하고 운영하는 국제 협력 프로젝트. ▲2차원 마이크로파 영상 진단(Electron Cyclotron Emission Imaging: ECEI) 장치: 토카막과 같은 고온 플라즈마의 온도·밀도 섭동을 측정하기 위한 2차원 진단 기법으로서 자기장에 갇힌 플라즈마의 전자로부터 방출되는 마이크로파를 마치 광학카메라와 같이 측정하는 장치임. 1990년대 후반 기존의 1차원 진단의 한계를 인식하고 근본적으로 3차원 공간에서 발생하는 토카막 플라즈마 현상들을 연구하기 위해 현 포스텍 핵융합 연구센터장인 박현거 교수가 주축이 되어 미국의 UC Davis와 네덜랜드의 FOM Institute와 공동연구를 통하여 개발되었음. 독일의 TEXTOR 토카막에 최초의 ECEI 장치가 설치된 후 독일 막스프랑크 연구소의 ASDEX, 미국의 DIII-D, 한국의 KSTAR, 그리고 중국의 EAST에도 설치되었으며, 현재로서는 KSTAR ECEI 장치가 가장 최첨단 장치로 꼽힘.
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