핵융합 상용화 가능성 큰 장치
러시아 첫 발표후 세계적 채택
'KSTAR'와 같은 상용 핵융합로
전력 손실 없는 초전도자석 사용
미래 청정에너지 생산'인공태양'
핵융합 발전의 상용화를 이루는데 가장 가능성이 있는 장치로 평가받고 있는 것이 자기가둠 방식을 사용하는 토카막(Tokamak) 장치입니다. 우리나라가 만드는 일명 인공태양 `KSTAR'는 물론 국제협력으로 추진중인 ITER 역시 토카막 형태의 핵융합 장치를 사용합니다. 그렇다면 토카막 장치는 어떻게 이뤄지는 지 알아보겠습니다.
핵융합연구센터에 따르면 토카막이란 러시아말인 toroiid kamera(chamber) magnit(magnet) katushka(coil)의 첫 자를 따서 만든 합성어라고 합니다. 구 소련의 아치모비치가 1965년 발표한 후 세계적으로 그 성능의 우수성을 인정받아, 현재 작동 중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 이 방식을 채택하고 있습니다.
이 방식의 원리를 이해하려면 플라즈마와 자기장과의 상호작용을 이해해야 합니다. 플라즈마를 구성하고 있는 이온과 전자는 자기력선 상에서 서로 반대방향으로 나선운동을 하며 진행하는데, 이때 자석의 위치구성을 도너츠 형태로 배열하면 자기력선의 진행경로가 갇혀지게 돼 그 주위를 회전운동 하는 플라즈마를 구성하게 됩니다. 이때 다양한 가열장치를 통해 플라즈마를 가열하고 불안정성을 제어하게 되면 핵융합 반응이 일어날 수 있는 태양의 중심과 같은 환경이 만들어진다고 합니다.
토카막의 주 장치 구조는 플라즈마를 발생시키고 가둬 둘 진공용기, 플라즈마를 구속하는 토로이달(Toroidal) 자석, 플라즈마 진공 용기 내에서 안정적인 상태를 유지하기 위해 제어하기 위한 폴로이달(Poloidal) 자석으로 나뉩니다.
또한, 플라즈마 전류를 구동하기 위한 중앙 솔레노이드 코일이 있으며, 진공상태를 유지하기 위한 진공 배기계통과 고온 플라즈마가 직접 맞닿는 부분인 플라즈마 인접 부품 및 용기보호 장치가 있습니다. KSTAR와 같이 초전도 자석을 사용하는 토카막의 경우는 추가로 저온 냉각 상태보호를 위한 Cryostat라는 저온장치가 추가로 필요하다고 합니다.
종래의 상전도자석을 이용한 토카막 장치는 막대한 전력 손실로 인해 장시간 운전이 불가능했습니다. 따라서 장시간 운전되어야 하는 상용의 핵융합로에서는 전력손실이 거의 없는 초전도자석을 사용해야 합니다. KSTAR를 비롯해 근래에 건설되고 있는 핵융합 장치는 필요한 자석 모두 초전도자석으로 만들고 있다고 합니다. KSTAR 장치의 경우, 최대 1700m까지 접속점이 없는 연속권선 공법으로 제작하여 그 성능을 향상하도록 했다고 합니다.
KSTAR 초전도자석 제작공정은 크게 분류하면 초전도체(CICC) 제작, 권선, 접속점(Joint) 설치, 열처리, 절연 테이핑 및 진공함침 등의 공정들로 이뤄집니다. 이러한 공정 기술 중에서도 해외 다른 장치와 차별화되는 중요한 부분은 △연속 권선 공정 △열처리 공정 △극저온 환경에 안정적인 진공 함침 공정을 들 수 있습니다.
오는 8월. 인공태양으로 불리며 미래의 무한 청정에너지를 생산할 차세대 초전도핵융합연구장치(KSTAR)는 대전에 있는 핵융합연구센터에서 본격적인 가동에 들어갑니다. 이 때쯤이면 우리나라는 핵융합연구라는 새로운 에너지시대를 여는 한편 국제핵융합실험로(ITER)건설과 운영에 직접적으로 참여하면서 한국형 상업용 핵융합 발전소 건설을 위한 토대를 마련하게 될 것입니다.
정리=박정연기자 jypark@
러시아 첫 발표후 세계적 채택
'KSTAR'와 같은 상용 핵융합로
전력 손실 없는 초전도자석 사용
미래 청정에너지 생산'인공태양'
핵융합 발전의 상용화를 이루는데 가장 가능성이 있는 장치로 평가받고 있는 것이 자기가둠 방식을 사용하는 토카막(Tokamak) 장치입니다. 우리나라가 만드는 일명 인공태양 `KSTAR'는 물론 국제협력으로 추진중인 ITER 역시 토카막 형태의 핵융합 장치를 사용합니다. 그렇다면 토카막 장치는 어떻게 이뤄지는 지 알아보겠습니다.
핵융합연구센터에 따르면 토카막이란 러시아말인 toroiid kamera(chamber) magnit(magnet) katushka(coil)의 첫 자를 따서 만든 합성어라고 합니다. 구 소련의 아치모비치가 1965년 발표한 후 세계적으로 그 성능의 우수성을 인정받아, 현재 작동 중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 이 방식을 채택하고 있습니다.
이 방식의 원리를 이해하려면 플라즈마와 자기장과의 상호작용을 이해해야 합니다. 플라즈마를 구성하고 있는 이온과 전자는 자기력선 상에서 서로 반대방향으로 나선운동을 하며 진행하는데, 이때 자석의 위치구성을 도너츠 형태로 배열하면 자기력선의 진행경로가 갇혀지게 돼 그 주위를 회전운동 하는 플라즈마를 구성하게 됩니다. 이때 다양한 가열장치를 통해 플라즈마를 가열하고 불안정성을 제어하게 되면 핵융합 반응이 일어날 수 있는 태양의 중심과 같은 환경이 만들어진다고 합니다.
토카막의 주 장치 구조는 플라즈마를 발생시키고 가둬 둘 진공용기, 플라즈마를 구속하는 토로이달(Toroidal) 자석, 플라즈마 진공 용기 내에서 안정적인 상태를 유지하기 위해 제어하기 위한 폴로이달(Poloidal) 자석으로 나뉩니다.
또한, 플라즈마 전류를 구동하기 위한 중앙 솔레노이드 코일이 있으며, 진공상태를 유지하기 위한 진공 배기계통과 고온 플라즈마가 직접 맞닿는 부분인 플라즈마 인접 부품 및 용기보호 장치가 있습니다. KSTAR와 같이 초전도 자석을 사용하는 토카막의 경우는 추가로 저온 냉각 상태보호를 위한 Cryostat라는 저온장치가 추가로 필요하다고 합니다.
종래의 상전도자석을 이용한 토카막 장치는 막대한 전력 손실로 인해 장시간 운전이 불가능했습니다. 따라서 장시간 운전되어야 하는 상용의 핵융합로에서는 전력손실이 거의 없는 초전도자석을 사용해야 합니다. KSTAR를 비롯해 근래에 건설되고 있는 핵융합 장치는 필요한 자석 모두 초전도자석으로 만들고 있다고 합니다. KSTAR 장치의 경우, 최대 1700m까지 접속점이 없는 연속권선 공법으로 제작하여 그 성능을 향상하도록 했다고 합니다.
KSTAR 초전도자석 제작공정은 크게 분류하면 초전도체(CICC) 제작, 권선, 접속점(Joint) 설치, 열처리, 절연 테이핑 및 진공함침 등의 공정들로 이뤄집니다. 이러한 공정 기술 중에서도 해외 다른 장치와 차별화되는 중요한 부분은 △연속 권선 공정 △열처리 공정 △극저온 환경에 안정적인 진공 함침 공정을 들 수 있습니다.
오는 8월. 인공태양으로 불리며 미래의 무한 청정에너지를 생산할 차세대 초전도핵융합연구장치(KSTAR)는 대전에 있는 핵융합연구센터에서 본격적인 가동에 들어갑니다. 이 때쯤이면 우리나라는 핵융합연구라는 새로운 에너지시대를 여는 한편 국제핵융합실험로(ITER)건설과 운영에 직접적으로 참여하면서 한국형 상업용 핵융합 발전소 건설을 위한 토대를 마련하게 될 것입니다.
정리=박정연기자 jypark@
