초전도체 활용 분야 : 핵융합장치 KSTAR
초전도체 활용 분야로 이번 포스팅에서는 핵융합장치 KSTAR에 대해 알아보겠습니다. 2007년 완공 이후 KSTAR에서는 핵융합 실험이 계속되고 있습니다. KSTAR에서 플라즈마를 잡아두기 위해 자기장을 이용하는데, 자기장을 만드는 초전도 자석이 바로 KSTAR의 초전도체 활용 분야입니다.
글의 순서
차세대 초전도 핵융합 연구장치 KSTAR
KSTAR 의미와 KSTAR를 구성하는 장치
KSTAR 초전도체 활용 분야
KSTAR 초전도 자석을 만드는 핵심, 액체헬륨을 이용한 극저온 기술
차세대 초전도 핵융합 연구장치 KSTAR
2008년 우리나라에서 개발한 차세대 초전도 핵융합 연구장치인 KSTAR에서 처음으로 0.3초 동안 플라즈마를 발생시키는 데 성공했습니다. KSTAR는 세계에서 처음으로 지어진 초전도 장치를 활용한 핵융합 연구장치입니다. KSTAR에서 한 번의 실험으로 플라즈마를 발생시켰다는데 큰 의미가 있습니다. 0.3초는 무척 짧은 시간이지만 복잡한 구성품들로 이루어진 KSTAR가 한 번에 정상적으로 작동했다는 것은 중요한 성과입니다.
KSTAR의 STAR에서 보듯이, KSTAR는 별입니다. 우주에서 스스로 빛과 에너지를 내는 덩어리를 별이라고 합니다. 지구별이라는 말도 쓰긴 합니다만, 지구는 스스로 빛을 내지 못하므로, 지구를 별이라고 할 수는 없습니다. 태양계에서는 태양만이 별입니다. 태양 에너지는 태양의 중심에서 일어나는 핵융합 반응에 의해 발생합니다. 플라즈마 상태의 수소 원자핵이 서로 융합하면서 질량변화를 일으키게 되고, 이 질량변화 만큼이 에너지로 변환되는 것입니다.
수소 원자핵 2개가 서로 붙으면서 내는 에너지는 지구에서 화석연료를 태워서 만드는 에너지와는 비교할 수 없는 깨끗한 에너지입니다. 그렇다면 핵융합로의 연료인 수소는 어디서 얻을 수 있을까요? 지구에서는 수소 원자를 바닷물에 무한히 포함되어 있는 중수소로부터 얻을 수 있습니다. 연료 고갈 문제를 신경 쓰지 않아도 된다는 의미입니다. 만약 핵융합 기술이 실용화된다면 인류는 무한한 에너지를 직접 만들 수 있게 되는 것입니다.
KSTAR 의미와 KSTAR를 구성하는 장치
KSTAR는 대한민국이 독자적으로 설계하고 제작하여 2007년에 완공했습니다. 무게가 약 1000톤에 달하는 큰 장치입니다. KSTAR는 Korea Superconducting Tokamak Advanced Research를 줄여서 만든 용어로, 초전도 기술을 이용한 토카막형 핵융합연구장치를 의미합니다. KSTAR에서 만들 수 있는 플라즈마는 최고 섭씨 3억도 까지 가열 할 수 있으며, 이는 태양 표면온도(섭씨 6,000도)의 5만 배에 해당하는 온도입니다. KSTAR는 엄청난 에너지를 만들어 낸다는 측면에서 별과 닮았는데, 스타라는 축약어는 참 잘 만든 이름입니다.
1995년 12월 ~ 2007년 8월에 걸쳐 개발된 KSTAR의 구성 장치에 대해 정리해보았습니다. 참고로, KSTAR는 거북선 모양을 형상화 했다고 합니다.
▶KSTAR 주장치실 크기 : 가로 37m, 세로 50m, 높이 30m로 축구장의 1/4 크기
▶주장치 크기 : 직경 8.8m, 높이 8.6m
▶진공 배기장치
▶헬륨 분배장치
▶중성입자빔 가열 장치
▶전자공명 가열자치
▶톰슨 산란 레이저 광학계
▶2차원 전자 사이클로트론 방사계
▶엑스선 이미지 결정 분광기
▶펠렛 인젝션 시스템
▶고속 왕복 이송형 전기탐침 진단시스템
KSTAR 초전도체 활용 분야
핵융합 반응이 일어나기 위해서는 거의 1억 도에 가까운 고온의 플라즈마가 필요합니다. 이 플라즈마를 담을 수 있는 그릇은 세상에 없습니다. 이 플라즈마를 담기 위해서 자기장의 힘을 이용하며, 자기장은 강력한 자석으로 만듭니다. KSTAR에는 초전도 자석이 약 30개가 들어가 있습니다. 초전도 자석은 초전도 코일을 사용하는 전자석인데 코일의 초전도성을 위해 극저온 상태를 유지합니다. 30개 초전도 자석의 무게는 약 300톤으로, KSTAR 전체 무게의 30%를 차지하며, 전자석을 제작하기 위해 소모된 초전도 재질 선의 총 길이는 12,022km로 지구 지름(12,756km)과 거의 비슷합니다.
KSTAR 자기장의 세기는 어느 정도일까요? 지구 자기장의 약 14만 배에 해당하는 7.2T입니다. 여기서 T는 자기장 세기의 단위인 테슬라(T)입니다.
KSTAR 초전도 자석을 만드는 핵심, 액체헬륨을 이용한 극저온 기술
지난 3개의 포스팅에서 보셨 듯 현재 기술의 초전도체는 극저온으로 냉각되었을 때만 초전도 특성이 나타납니다. 극저온으로 냉각시키기 위해 액체 헬륨을 사용합니다. KSTAR는 영하 269도의 극저온 상태를 유지해야 합니다.
상온의 헬륨을 압축한 후 팽창 터빈에서 단열 팽창과정을 거쳐 영하 269도의 극저온을 만듭니다. 이렇게 생산된 액체 헬륨은 분배기를 통해 30개의 초전도 자석에 적절하게 공급되어 초전도성을 유지할 수 있게 합니다. 극저온 기술이 초전도체를 만들고, 초전도체 코일이 강력한 전자석을 만들어 플라즈마를 붙잡아 둘 수 있는 것입니다.
마치며 …
초전도체 활용 분야로 이번 포스팅에서는 핵융합장치 KSTAR에 대해 알아보았습니다. 2007년 완공 이후 KSTAR에서는 핵융합 실험이 계속되고 있으니, 우리가 모르는 사이에 거대한 초전도체가 이미 우리 옆에 있는 것입니다.
KSTAR에서 플라즈마를 잡아두기 위해 자기장을 이용하는데, 자기장을 만드는 초전도 자석이 바로 KSTAR의 초전도체 활용 분야입니다. 초전도 자석을 만드는데, 초전도 코일을 활용하며, 현재의 기술로는 극저온 상태에서만 초전도 코일의 초전도성이 유지됩니다. KSTAR에서는 가장 뜨거운 기술과 가장 차가운 기술이 공존하고 있습니다.
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참고자료
[1] KFE 한국핵융합에너지연구원, KSTAR 소개
[2] EBSDocumentary (EBS 다큐), 입증만 하면 최소 노벨상? 그래서 초전도체로 뭘 할 수 있는데?│초전도체의 과거와 현재, 그리고 미래까지│다큐프라임│#골라듄다큐