국내 기술로 개발된 초전도 핵융합장치인 KSTAR가 국제핵융합실험로(ITER)의 마이크로파 가열을 위해 개발된 장치를 세계 최초로 설치해 시험 운전에 성공했다.

국가핵융합연구소는 KSTAR에 '170기가헤르츠(GHz) 마이크로파 전자공명 가열ㆍ전류구동 시스템'을 설치, 이를 이용한 핵융합 장치의 초기 시동과 플라스마 가열에 성공했다고 3일 밝혔다. 

핵융합 에너지를 얻기 위해서는 기체 상태 물질에 열을 가해 원자핵과 전자를 분리시키고 수소 원자핵을 플라스마로 만들어야 한다. 이 플라스마가 사라지지 않기 위해 자기장을 이용한 밀폐용기인 '토카막(tokamak)'에 가둔 뒤 1억도 이상의 초고온과 초고압을 가하면 핵융합 반응이 일어난다. 플라스마를 생성하고 핵융합 반응을 일으키는 핵심시설이 바로 가열장치다. 

마이크로파 플라스마 가열 및 전류구동 장치(ECH/CD)는 핵융합 플라스마 내에 존재하는 전자의 회전 운동과 공명(resonance)하는 주파수를 가진 마이크로파를 쏘아 전자를 선택적으로 가열하고 운동에너지를 전달, 전류를 발생시키는 역할을 한다. 현재까지 개발된 장치 중 가장 높은 주파수를 지닌 170GHz ECH/CD는 ITER를 포함해 앞으로 각 나라가 설치할 핵융합로 가열장치로 채택될 것으로 예상된다.

이번 실험에 사용된 ECH/CD 가열 시스템의 가장 핵심 부품인 170GHzㆍ1MW급 자이로트론 발진기는 일본이 개발했다. 자이로트론 발진기는 수GHz에서 수백GHz 대역의 광범위한 주파수를 가진 마이크로파를 최대 MW급으로 발진하는 장치다. 핵융합연구소는 최근 일본원자력연구개발기구로부터 이 시스템을 무상 임대받아 KSTAR에 설치했다. 또 초고주파 위치 제어가 가능한 마이크로파 빔 입사 장치는 미국 프린스턴플라즈마물리연구소와 국내 KSTAR 공동연구거점센터 중 하나인 포스텍 플라즈마 진단 및 정상상태 연구센터가 공동 개발해 지난 4월 KSTAR에 설치됐다.

권면 KSTAR 운영사업단장은 "이번 성과는 ITER에 적용될 가열 시스템 기본실험이 국제핵융합공동연구장치로 주목받고 있는 KSTAR가 먼저 수행했다는 점에서도 의미가 크지만 대규모 투자가 요구되는 거대장치를 개발하는 데 한국과 미국ㆍ일본이 서로 협력해 최적화된 시스템을 만들어냈다는 점에서 큰 의미를 지닌다" 라고 말했다.

한편 4월부터 네 번째 장치 가동에 들어간 KSTAR는 현재 플라스마 발생 실험을 진행 중이며 8월 말까지 플라스마 실험을 진행한 후 장치 승온 작업 등을 통해 9월 말 가동을 마칠 예정이다.