국내 연구진이 핵융합에너지를 만드는 태양을 지구에서 구현하는 ‘인공태양’의 상용화에 한걸음 더 다가섰다. 국가핵융합연구소가 핵융합에너지 상용화 연구를 위해 개발한 한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 플라즈마 중심 이온온도를 1.5초 동안 1억℃ 이상 올리는 데 성공했다고 13일 밝혔다. 2009년 7월 첫 가동한 지 10년만의 성과다.

스스로 빛과 열을 내는 ‘항성’인 태양은 핵융합 반응을 통해 에너지를 만들어낸다. 수소 원자끼리 융합할 때 헬륨 원자핵으로 바뀌면서 잃게 되는 질량만큼 중성자가 튀어나오는 게 핵융합 반응이다. 이 때 튀어나오는 중성자는 엄청난 열에너지를 갖고 있는데 이 에너지를 이용하는 게 핵융합 에너지다. 핵융합 반응을 지구에서도 만들어낼 수 있다면 이 에너지로 물을 끓여 만든 수증기로 터빈을 돌리면 무한한 전기에너지를 얻을 수 있다. 핵융합 연구를 ‘인공태양’ 연구로 부르는 이유다.

태양은 핵융합 반응이 일어날 수 있는 조건인 ‘플라즈마(원자핵과 전자가 분리된 기체)’ 상태를 스스로 만든다. 중심부 온도 약 1500만℃ 조건에서 플라즈마 상태를 지속적으로 유지한다. 태양 자체의 큰 질량과 상상을 초월하는 중력이 플라즈마를 촘촘한 밀도로 가두기 때문이다.

그러나 태양 질량의 0.0003%에 불과한 지구에서는 불가능하다. 플라즈마의 밀도와 온도를 곱한 값이 일정 수준을 넘어서야 핵융합 반응이 일어나는데 태양만큼 큰 중력을 얻기 힘든 지구에서는 태양과 유사한 촘촘한 플라즈마 밀도를 만들지 못한다.

이런 이유로 지구에서 핵융합 반응을 일으키려면 이론상 태양 중심 온도인 1500만℃보다 7배 가량 높은 1억℃의 초고온 플라즈마를 만들어 태양보다 부족한 밀도를 상쇄해야 한다. KSTAR는 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마를 만들고 유지하는 실험을 하기 위해 초전도자석으로 만든 자기장으로 플라즈마를 가두는 ‘토카막’형 초전도핵융합장치다.

플라즈마 이온온도 1억℃는 중수소-삼중수소 간 핵융합 반응이 일어날 수 있는 최적의 온도다. 윤시우 국가핵융합연구소 KSTAR연구센터장은 “비록 1.5초라는 짧은 시간이지만 토카막형 초전도핵융합장치로서 플라즈마 이온온도 1억℃ 운전에 성공한 건 KSTAR가 처음”이라며 “2019년에는 10초 이상 플라즈마 이온온도 1억℃ 운전을 하는 게 목표”라고 말했다.

지난해 11월 중국과학원 연구진이 핵융합실험로 ‘이스트(EAST)’를 이용해 1억℃의 초고온 플라즈마를 달성했다고 발표했다. 중국 측은 당시 공식적으로 7000만℃의 초고온 플라즈마 운전에 성공한 한국의 KSTAR보다 앞섰다고 밝혔다.

이에 대해 윤시우 센터장은 “추후에 공개된 데이터를 분석한 결과 중국 이스트가 달성한 것은 이온온도가 아닌 전자온도인 것으로 보인다”고 말했다. 중국의 이스트는 전자기파를 이용해 플라즈마를 가열하는 방식이다. 핵융합 반응을 일으키는 플라즈마는 전자와 이온으로 구성되는데 결국 중수소와 삼중수소가 이온간 융합으로 에너지를 생산한다는 점에서 이온온도를 1억℃로 올리는 게 더 중요하다는 설명이다.

핵융합연 연구진은 2019년 플라즈마 이온온도 1억℃를 10초간 유지하는 데 성공하면 핵융합에너지 실증을 위한 장시간 운전조건인 300초 이상 고성능 플라즈마를 운전할 수 있는 기반이 될 것으로 보고 있다. 윤 센터장은 “플라즈마가 가열되다가 식는 순간이 있는데 이를 제어해 5~6초 동안 지속할 수 있다면 10초도 가능할 것”이라며 “10초를 유지하면 이온온도 1억℃의 플라즈마 상태가 안정적으로 유지되는 조건으로 10초 지속이라고 분석하고 있다”고 말했다.

연구진은 올해 추가로 도입하는 중성입자빔가열장치-2(NBI-2)를 활용할 계획이다. 윤 센터장은 이번 성과는 제한적인 가열장치 입사조건 하에서 진행돼 1억℃ 이상 초고온 플라즈마를 짧은 시간 동안 유지하는 데 그쳤지만 올해는 세계 처음으로 10초 이상 안정적으로 유지하는 게 목표“라고 말했다.