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KSTAR

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1. 개요

KSTAR는 한국에서 개발된 초전도 핵융합 연구 장치로, 핵융합 반응을 연구하기 위한 토카막 형태의 실험로이다. 2007년 완공 이후, 세계 최초로 300초 이상 고주파 가열 장치를 사용하며 플라즈마를 1억 도 이상으로 가열하는 기술을 확보했다. 1995년부터 시작된 KSTAR 프로젝트는 2024년 48초 동안 1억 도 초고온 플라즈마 유지 및 102초간 고성능 플라즈마 운전 모드를 달성하는 등 지속적인 연구를 통해 기록을 경신해왔다. KSTAR는 국제 핵융합 실험로인 ITER 프로젝트에도 기여하고 있으며, 핵융합 발전에 필요한 초고온 플라스마 생성, 토카막 제작, 연료 개발 등의 핵심 기술을 연구하고 있다.

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KSTAR
기본 정보
명칭초전도 핵융합 연구 장치
영문 명칭Korea Superconducting Tokamak Advanced Research
종류토카막
위치대전
국가대한민국
소속한국핵융합에너지연구원
장치 정보
주반지름1.8 m
부반지름0.5 m
자기장3.5 T
가열 장치 용량14 MW
플라즈마 전류2 MA
연혁
건설 시작2007년 9월 14일
최초 플라즈마 발생2008년
운영 상태현재 운영 중
관련 정보
관련 프로젝트ITER
웹사이트
웹사이트한국핵융합에너지연구원 KSTAR 소개

2. 역사

KSTAR는 대한민국 정부 수립 이래 단일 연구 개발 예산으로는 최대 규모인 3000억이 투입된 프로젝트이다.[33] 한국, 미국, 유럽, 러시아, 일본, 중국, 인도가 공동으로 추진하는 국제핵융합실험로(ITER)와 설계 개념이 유사하며, KSTAR의 크기는 ITER의 25분의 1 수준이다.[32]

2007년 한국원자력연구소 곽종구 박사팀이 개발한 메가헤르츠(MHz) 대역 전자기파 가열장치는 플라즈마 온도를 섭씨 1억 도까지 올릴 수 있다.[29][30] 2009년에는 플라즈마 전류 320kA, 유지 시간 3.6초를 달성했다.[31]

이후 KSTAR는 지속적인 연구 개발을 통해 플라스마 유지 시간 및 온도 기록을 경신해왔다. 2019년에는 1억 도 초고온 플라즈마를 1.5초,[52] 2021년에는 30초,[34] 2024년에는 48초간 유지하는 데 성공했다.[35]

2. 1. KSTAR 개발 과정

1995년 KSTAR 프로젝트가 시작되어[43] 2007년에 KSTAR 주장치가 완공되었다.[44] 2008년에는 KSTAR 최초 플라즈마 발생이 공식 선언되었다.[45]

2009년에는 플라즈마 전류 320kA, flattop 1.4초, 유지시간 3.6초를 달성하였다.[31] 이는 전류 32만 암페어(A)의 고온 플라즈마를 3.6초 유지한 것이다.[46]

한국원자력연구소 곽종구 박사팀은 2007년 7월 12일 메가헤르츠(MHz) 대역의 전자기파 가열장치 개발 성공을 발표했다. 이 장치는 세계 최초로 300초 이상 고주파를 낼 수 있으며, 플라즈마 이온을 공명시켜 플라즈마 온도를 섭씨 1억 도까지 올린다.[29][30]

KSTAR는 한국, 미국, 유럽, 러시아, 일본, 중국, 인도2015년까지 60억 유로를 투자해 개발하기로 한 국제핵융합실험(ITER) 장치와 기본 개념 설계가 같다. KSTAR의 크기는 ITER의 25분의 1 정도이며, 대한민국 정부 수립 이래 단일연구개발 예산으로는 최대 규모인 3조이 투입됐다.[33]

이후 KSTAR는 지속적인 연구 개발을 통해 플라즈마 유지 시간 및 온도 기록을 경신해왔다.

연도성과
2011년5천만 도 고온 플라즈마 5.2초 유지[47]
2012년5천만 도 고온 플라즈마 17초 유지[48]
2013년5천만 도 고온 플라즈마 20초 유지
2014년5천만 도 고온 플라즈마 48초 유지
2016년5천만 도 고온 플라즈마 70초 유지[49]
2017년7천만 도 고온 플라즈마 72초 유지[50][51]
2019년1억 도 고온 플라즈마 1.5초 유지[52]
2020년1억 도 고온 플라즈마 20초 유지[53]
2021년1억 도 고온 플라즈마 30초 유지
2024년1억 도 고온 플라즈마 48초 유지[35]



2019년 한국핵융합에너지연구원은 세계 최초로 이온 온도 1억도(9kev) 이상을 유지한 초고온 고성능 플라즈마를 실현했다고 밝혔으며(유지시간 1.5초), 2021년에는 1억도 초고온 플라즈마를 30초간 유지하는 데 성공했다.[34] 2024년에는 KSTAR 내벽 부품 교체 후 첫 플라즈마 실험에서 1억도 초고온 플라즈마를 48초까지 연장 운전하고, 고성능 플라즈마 운전모드(H-모드)를 102초 운전했다.[35]

2. 2. 플라즈마 유지 시간 경신

한국핵융합에너지연구원은 KSTAR를 활용하여 플라즈마 유지 시간 경신을 위한 연구를 지속적으로 수행해왔다. 주요 성과는 다음과 같다.

연도내용
2011년5000만°C 고온 플라즈마 5.2초 유지[47]
2012년5000만°C 고온 플라즈마 17초 유지[48]
2013년5000만°C 고온 플라즈마 20초 유지
2014년5000만°C 고온 플라즈마 48초 유지
2016년5000만°C 고온 플라즈마 70초 유지[49][5][6]
2017년7000만°C 고온 플라즈마 72초 유지[50][51]
2019년1억°C 고온 플라즈마 1.5초 유지[52]
2020년1억°C 고온 플라즈마 20초 유지[53]
2021년1억°C 고온 플라즈마 30초 유지[34]
2024년1억°C 고온 플라즈마 48초 유지 및 고성능 플라즈마 운전모드(H-모드) 102초 운전[35]



2016년 12월, KSTAR는 5000만°C의 플라즈마를 70초 동안 유지하며 세계 기록을 세웠다.[5][6] 2020년 12월에는 1억°C의 플라즈마를 20초 동안 유지하며 다시 한번 기록을 경신했다.[8] KSTAR는 고(高)가둠 모드의 수소 플라즈마를 가두고 유지하는 데 있어 여러 차례 세계 기록을 보유하며 핵융합 연구 분야에서 선도적인 역할을 수행하고 있다.[4]

2. 3. 국제 협력

대한민국은 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에 참여하여 KSTAR 개발 경험과 기술을 공유하고 있다.[32] ITER은 한국, 미국, 유럽, 러시아, 일본, 중국, 인도가 참여하는 국제 공동 프로젝트로, KSTAR와 기본 개념 설계가 같다.[32] ITER의 열출력 규모는 500MW로 핵분열식인 한국 표준원전의 6분의 1 규모이며, KSTAR의 크기는 ITER의 25분의 1 정도이다.[32]

현재 대한민국, 중국, 유럽 연합, 미국, 러시아, 인도, 일본 등 7개국이 프랑스에 ITER를 건설하고 있다.[17] 참가국들은 1.6조 엔의 분담금을 내는데, 대한민국은 지적인 능력의 기여가 요구되며, 향후 KSTAR에서 축적될 초전도 자석 등 고도 기술을 제공할 예정이다.

3. 원리

핵융합 반응을 이용하는 핵융합 발전은 태양이 에너지를 생성하는 원리와 같다. KSTAR는 중수소삼중수소플라스마(plasma) 상태로 만들어 핵융합 반응을 일으킨다. 핵융합 과정에서 발생하는 질량 결손이 아인슈타인의 E=mc² 특수상대성이론 공식에 따라 에너지로 변환된다.[38]

KSTAR 핵융합로는 가정에서 쓰는 전자렌지와 유사하게 작동한다. 전자레인지 안에 중수소를 넣고 마이크로파를 쏘여 가열하는 것처럼, KSTAR는 고주파를 이용하여 플라스마를 가열한다. 2005년 7월 13일 한국원자력연구소 오병훈 박사는 "핵융합 발전이 상용화되려면 투입된 에너지보다 생산된 에너지가 20배 이상 많아야 하는데 현재는 같은 수준"이라고 말했다.[39]

4. 장점

핵융합 발전의 연료인 중수소는 바닷물 1L에서 0.03g을 얻을 수 있으며, 삼중수소리튬을 통해 얻을 수 있다. 우라늄을 사용하는 핵분열과 달리 핵융합 발전은 연료를 쉽게 구할 수 있어 에너지 수입 의존도가 97%가 넘는 한국에게 매우 중요하다.[40] 핵융합은 원자력 발전의 0.04%에 불과한 소량의 방사능만 발생하여 방사능 문제가 거의 없다. 에너지 효율도 높아 이론상, 삼중수소중수소 1g은 시간당 10만 KW의 전력 또는 석유 8t과 같은 에너지를 생산할 수 있다. 인위적인 핵융합은 자발적 연쇄반응이 아니므로 핵융합 조건을 제거하면 즉시 핵융합 반응 및 발전을 차단할 수 있어 폭발 등의 위험성도 낮다.[41]

5. 구조

KSTAR는 토카막형 핵융합 장치로, 다음과 같은 주요 장비들로 구성된다.[42]

장비 명칭설명
플라즈마 대향장치(Plasma Facing Component, PFC)
진공용기내 제어코일(In-Vessel Control Coil)
진공용기(Vacuum Vessel)
열차폐체(Thermal Shield)
토로이달 방향 코일(Toroidal Field Coil)
폴로이달 방향 코일(Poloidal Field Coil)
저온용기(Cryostat)



KSTAR는 세계 최초로 완전 초전도 자석을 갖춘 연구용 토카막 중 하나이며, 이는 초전도 자석을 사용할 ITER에도 매우 중요한 의미를 지닌다. KSTAR 자석 시스템은 16개의 니오브-주석 직류 토로이드 자석, 10개의 니오브–주석 교류 폴로이달 자석 및 4개의 니오브-티타늄 교류 폴로이달 자석으로 구성된다.[17][18] KSTAR에서 사용되는 플라즈마 발생 장치는 일본 원자력 연구 개발 기구(JAEA)에서 무상으로 대여받았다.[20]

6. 핵심 기술

KSTAR는 핵융합로 개발에 필요한 다음 3가지 핵심 기술 분야를 연구한다.


  • 1억도 이상의 초고온 플라즈마 생산 기술
  • 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 가둬둘 수 있는 인공태양(토카막) 제작 기술
  • 핵융합 연료 개발 기술


KSTAR는 세계 최초로 완전 초전도 자석을 갖춘 연구용 토카막 중 하나이며, 이는 초전도 자석을 사용할 ITER에도 매우 중요한 의미를 지닌다. KSTAR 자석 시스템은 16개의 니오브-주석 직류 토로이드 자석, 10개의 니오브–주석 교류 폴로이달 자석 및 4개의 니오브-티타늄 교류 폴로이달 자석으로 구성된다.[17][18] KSTAR에서 사용되는 플라즈마 발생 장치는 일본 원자력 연구 개발 기구(JAEA)에서 무상으로 대여받은 것이다.[20]

이 장치는 2011년까지 최대 20초 동안의 플라즈마 펄스를 연구하고, 이후 300초까지 펄스를 연구하도록 업그레이드될 예정이다. 이 장치의 반응기 용기는 주 반경 1.8m, 부 반경 0.5m, 최대 토로이드 자기장 3.5 테슬라, 최대 플라즈마 전류 2 메가암페어를 갖는다.

다른 토카막과 마찬가지로, 가열 및 전류 구동은 중성 입자 빔 주입, 이온 사이클로트론 공명 가열(ICRH), 무선 주파수 가열 및 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH)을 사용하여 시작된다. 초기 가열 출력은 중성 입자 빔 주입으로 8 메가와트이며 24MW까지 업그레이드 가능하고, ICRH에서 6MW이며 12MW까지 업그레이드 가능하며, 현재 ECRH 및 RF 가열에서 결정되지 않은 가열 출력을 갖는다.

이 실험은 수소중수소 연료를 모두 사용하지만, ITER에서 연구될 중수소-삼중수소 혼합물은 사용하지 않는다.

7. 국제 핵융합 연구 동향

2006년에 세계 3대 핵융합로라고 불리던 미국, 유럽 연합, 일본의 토카막은 수명이 다해 플라스마 지속시간이 5∼10초에 불과했다. 이들은 구리 자석을 채용했기 때문이다. 반면에 2007년 8월에 준공된 KSTAR는 차세대 핵융합로로서, 초전도체를 이용하여 효율을 향상시켜 일본, 미국의 기존 핵융합로보다 30배 이상 성능이 뛰어났다.[4]

핵융합 연구는 여러 국가에서 진행되고 있으며, 주요 핵융합로는 다음과 같다.

7. 1. 대한민국: KSTAR

KSTAR는 차세대 핵융합로로서, 2007년 8월에 준공되었다. 세계 3대 핵융합실험시설이 일반 전자석으로 제작된 반면, KSTAR는 초전도체를 이용하여 효율을 향상시켰다. 2022년까지 섭씨 3억도 이상의 플라즈마를 300초 이상 지속시키는 것을 목표로 하고 있다.[4] 이 경우 전자석 작동 시 전기 저항이 없어 훨씬 강력한 자기장 속에 중수소를 보다 오랜 시간 가둬놓고 가열시켜 핵융합을 일으킬 수 있다.

KSTAR는 세계 최초로 완전 초전도 자석을 갖춘 연구용 토카막 중 하나이며, 이는 초전도 자석을 사용할 ITER에도 매우 중요한 의미를 지닌다. KSTAR 자석 시스템은 16개의 니오븀-주석 직류 토로이드 자석, 10개의 니오븀–주석 교류 폴로이달 자석 및 4개의 니오븀-티타늄 교류 폴로이달 자석으로 구성된다.[17][18] KSTAR에서 사용되는 플라즈마 발생 장치는 일본 원자력 연구 개발 기구(JAEA)에서 무상으로 대여받은 것이다.[20]

2016년 12월부터 KSTAR는 다른 어떤 핵융합로보다 더 높은 온도와 더 오랜 시간 동안 고(高)가둠 모드의 수소 플라즈마를 가두고 유지함으로써 세계 기록(최장 고(高)가둠 모드 유지)을 여러 차례 보유하게 되었다.

KSTAR의 주요 성과는 다음과 같다.

연도성과
1995년KSTAR 프로젝트 시작
2007년 9월KSTAR 주요 장치 건설
2008년 7월첫 번째 플라즈마 발생 (유지 시간: 0.865초, 온도: )
2009년3.6초 동안 320000A 플라즈마 유지
2010년 11월첫 번째 H-모드 플라즈마 운전[10]
2011년5.2초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: ~), 세계 최초로 ELM (가장자리 국소 모드) 완전히 억제 성공
2012년17초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: )
2013년20초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: )
2014년45초 동안 고온 플라즈마 유지, 5초 동안 ELM 완전히 억제 성공
2015년55초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: )
2016년70초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: ), 7초 동안 ITB-모드 성공[11]
2017년72초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: ), 9.5 MW 가열 시스템을 사용하여 34초 동안 ELM 완전히 억제 성공
2019년1.5초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: >)
2020년 3월8초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: >) (평균 온도: >)[12]
2020년 11월20초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: >)[13]
2021년 11월30초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: >)[14]
2022년 9월30초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: >)[15]
2024년 2월48초 동안 고온 플라즈마 유지 (온도: >)[16]


7. 2. 다른 나라의 핵융합로 현황

다른 나라의 핵융합로 현황은 다음과 같다.

  • 일본: JT-60U (현재 JT-60SA로 업그레이드 중)
  • 유럽 연합: JET (영국에 위치)
  • 미국: DIII-D
  • 러시아: T-15
  • 중국: EAST
  • 인도: ADITYA


2006년 당시 세계 3대 핵융합로로 불리던 미국, 유럽연합, 일본의 토카막은 수명이 다해 플라스마 지속시간이 5~10초에 불과했다. 이들은 구리 자석을 사용했기 때문이다. 반면 2007년 8월에 준공된 KSTAR는 차세대 핵융합로로서, 초전도체를 이용하여 효율을 향상시켜 일본, 미국의 기존 핵융합로보다 30배 이상 성능이 뛰어났다.[17][18]

8. 참여 기관

기관명설명
한국핵융합에너지연구원정부 산하 연구기관
한국원자력연구원정부 산하 연구기관
한국전력기술
삼성전자
현대중공업
대우중공업
두산중공업


참조

[1] 웹사이트 KSTAR ! 국가핵융합연구소 https://web.archive.[...] 2020-06-20
[2] 웹사이트 www.knfp.net http://www.knfp.net/[...] 2015-10-23
[3] 뉴스 KSTAR celebrates first plasma https://www.iter.org[...] ITER 2018-09-18
[4] 뉴스 중국 "인공태양 1억2000만도 101초 유지 성공"...앞선 한국 기록과 단순 비교는 어려워 https://news.naver.c[...] 2021-06-01
[5] 웹사이트 Korean fusion reactor achieves record plasma - World Nuclear News http://www.world-nuc[...] 2018-09-18
[6] 뉴스 South Korea Just Set A Nuclear Fusion World Record https://web.archive.[...] IFLScience 2018-09-18
[7] 뉴스 China's 'artificial sun' sets world record with 100 second steady-state high performance plasma https://phys.org/new[...] 2018-09-18
[8] 웹사이트 Korean artificial sun sets the new world record of 20-sec-long operation at 100 million degrees https://phys.org/new[...]
[9] 웹사이트 China's "Artificial Sun" Fusion Reactor Just Set a World Record https://futurism.com[...] 2021-06-02
[10] 웹사이트 First H-mode plasma achieved on KSTAR https://web.archive.[...] 2015-01-23
[11] 웹사이트 'News | KOREA INSTITUTE OF FUSION ENERGY' http://www.nfri.re.k[...] NFRI News 2016-12-14
[12] 웹사이트 한국형 인공태양, 섭씨 1억도 플라스마 8초 운전 성공 – Sciencetimes https://www.sciencet[...] 2020-11-28
[13] 웹사이트 Korean artificial sun sets the new world record of 20-sec-long operation at 100 million degrees https://phys.org/new[...] 2020-12-29
[14] 웹사이트 KSTAR fusion reactor sets record with 30-second plasma confinement https://newatlas.com[...] 2021-11-24
[15] 웹사이트 This Fusion Reactor Hit Temps 7 Times Hotter Than the Sun for 30 Seconds https://www.popularm[...] 2022-09-15
[16] 뉴스 South Korean 'artificial sun' reaches 7 times the Sun's core temperature https://interestinge[...] 2024-03-30
[17] 뉴스 대덕 시험용 핵융합로 ‘KSTAR’ 가동 중앙 데일리 뉴스 2011-04-02
[18] 논문 Design and construction of the KSTAR tokamak http://nuplex.snu.ac[...] Nuclear Fusion 2001
[19] 문서 § 국가핵융합연구소 - 또 하나의 태양을 찾아서 § http://www.knfp.net/[...]
[20] 뉴스 「核融合研究所、日本からプラズマ発生装置を貸与」 http://japanese.yonh[...] 聯合ニュース 2008-06-27
[21] 뉴스 「実験用核融合炉「KSTAR」の試験稼働始まる」 중앙일보 2011-04-03
[22] 웹사이트 http://media.daum.ne[...]
[23] 웹사이트 대표 연구성과 ! 국가핵융합연구소 https://www.nfri.re.[...] NFRI 2020-04-18
[24] 뉴스 韓国の「人工太陽」、1億度で20秒運転…再び世界新記録を更新 http://www.chosunonl[...] 朝鮮日報 2020-11-25
[25] 웹인용 인공태양 'KSTAR'에 주목해야 하는 이유 https://www.dbpia.co[...] 전력문화사 2018-03
[26] 웹인용 인공태양 'KSTAR'에 주목해야 하는 이유 https://www.dbpia.co[...] 전력문화사 2018-03
[27] 뉴스 ''인공태양'' 제작 현장에 가다 세계일보 2007-06-25
[28] 뉴스 ‘인공태양’ 지구의 마지막 에너지원 국민일보 2000-11-17
[29] 뉴스 곽종구 박사팀, 핵융합로 고주파 가열장치 국산화 성공 동아일보 2007-07-13
[30] 뉴스 원자력硏, '중성입자빔 가열장치' 세계 최장시간 운전 성공 https://www.hellodd.[...] 뉴시스 2024-11-24
[31] 문서 2009년 12월 10일자 교육과학기술부 보도자료
[32] 뉴스 한국 핵융합 기술로 '인공 태양' 밝힌다 https://news.naver.c[...] 시사저널 2007-02-14
[33] 웹사이트 인공태양을 만드는 까닭은… http://www.scienceti[...] sciencetimes 2006-12-08
[34] 뉴스 한국의 인공태양 KSTAR, 1억도 30초 운전 성공 https://news.kbs.co.[...] 한국방송공사 2021-11-22
[35] 뉴스 인공태양 'KSTAR' 1억도 플라즈마 운전 기록 경신 https://www.hellodd.[...] 대덕넷 2024-11-24
[36] 뉴스 태양처럼 핵융합으로 무한에너지 생산/ 지구에 '인공 태양' 만든다 한국등 6국, 발전시설 프로젝트 참여 서울신문 2005-07-14
[37] 뉴스 과학입국 그린 프로젝트-Let's Science 차세대 에너지 ‘핵융합’ 국민일보 2004-09-15
[38] 뉴스 뉴스 인사이드 / ‘꿈의 에너지’ 개발, 지구촌을 구하라! 문화일보 2006-11-25
[39] 뉴스 태양처럼 핵융합으로 무한에너지 생산/ 지구에 '인공 태양' 만든다 한국등 6국, 발전시설 프로젝트 참여 서울신문 2005-07-14
[40] 웹인용 인공태양 ‘KSTAR’에 주목해야 하는 이유 https://www.dbpia.co[...] 전력문화사 2018-03
[41] 웹인용 KISTEP 기술동향브리프, <핵융합 에너지> https://www.kistep.r[...] 한국과학기술기획평가원 2020
[42] 웹인용 KSTAR 토카막 장치 진공 기술 현황 https://www.dbpia.co[...] 한국진공학회 2017-03
[43] 뉴스 핵융합연구개발 추진계획 확정 https://news.naver.c[...]
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