16년 된 한국 인공태양의 초전도자석 "최대 성능 유지"

KSTAR, 최대 전류에도 안정적…핵융합연, 실험으로 입증

한국의 인공태양 'KSTAR'(케이스타)의 핵심 부품인 초전도자석의 우수성이 실험적으로 검증됐다.

한국핵융합에너지연구원은 케이스타의 장기간 운전이 초전도자석에 미치는 영향을 평가하기 위해 성능 검증 시험을 한 결과 최대 성능이 유지되는 것을 확인했다고 24일 밝혔다.

케이스타는 땅 위에서 태양처럼 막대한 에너지를 내는 핵융합 반응을 일으켜 발전하는 초전도 핵융합 연구장치다.

태양에서 일어나는 핵융합 반응을 땅 위에서 구현하려면 핵융합 장치 내 '플라스마'(고체·액체·기체를 넘어선 제4의 상태)를 초고온으로 오랫동안 안정적으로 유지하는 기술이 관건인데, 초전도자석은 강력한 자기장을 발생시켜 플라스마를 가두고 제어하는 역할을 한다.

핵융합연은 세계에서 유일하게 케이스타에 국제핵융합실험로(ITER·우리나라를 비롯한 7개국이 프랑스에 공동으로 건설 중인 초대형 핵융합 장치)와 같은 나이오븀-틴(나이오븀-주석) 소재의 초전도자석을 적용하고 있다.

연구원은 2008년 케이스타가 운전을 시작한 이래 대전류와 고자장 등 극한 환경에 따른 성능 영향을 평가하기 위해 매년 초전도자석의 교류 손실(교류 전류가 흐를 때 전기 장비나 회로에서 발생하는 에너지 손실)을 측정하고 있다.

초전도자석을 구성하는 각각의 초전도 선재 다발은 2㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 두께의 크롬으로 코팅돼 절연 상태를 유지하고 있는데, 고자기장 운전이 반복되면 크롬 절연층이 파손돼 교류 손실의 우려가 있다.

연구원은 초전도자석의 '중심 솔레노이드 자석'에 15㎄(킬로암페어)의 전류를 걸어 성능 저하 여부를 검사해왔으나, 올해는 25㎄까지 단계적으로 전류를 높여 실험을 수행했다.

실험 결과 25㎄ 전류 인가 시에도 초전도자석의 상태를 나타내는 데이터가 안정적인 수치를 보였으며, 교류 손실로 인한 총 발생 열량도 작년보다 감소했다.

16년간 약 3만4천 차례 이상의 반복적인 펄스 운전(장치를 일정 시간 동안 가동한 뒤 멈췄다가 다시 가동하는 주기적인 운전 방법)에도 안정적인 성능을 유지하고 있음을 실험적으로 입증했다.

이현정 초전도시스템연구그룹장은 "케이스타의 초전도자석 운전 성능이 유지되고 있을 뿐만 아니라 교류 손실이 저감돼 상태가 더욱 안정된 것을 확인했다"며 "케이스타 운전과정에서 확보하는 초전도자석 데이터는 앞으로 ITER 초전도자석 운전을 위한 중요한 자산이 될 것"이라고 말했다.

이번 실험 결과는 이날부터 28일까지 서울 올림픽 파크텔에서 열리는 '국제 핵융합 및 플라스마 콘퍼런스'(iFPC 2024)에서 발표된다.

/연합뉴스