▲ 한국핵융합연구원이 제공한  KSTAR 시설 사진

한국의 인공태양 KSTAR가 1억도 초고온 플라즈마 장시간 운전 기술 확보를 위한 장치 업그레이드를 성공적으로 마치고, 새로운 환경에서 실험을 시작한다. 

 

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합(연), 원장 유석재)은 한국형초전도핵융합연구장치 KSTAR의 핵심 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 신규 개발하여 설치를 완료하였으며, 이를 활용한 KSTAR의 첫 번째 플라즈마 실험을 시작한다고 13일 밝혔다. 

 

디버터란 핵융합로 내부에서 발생하는 플라즈마의 강한 열속이 집중되는 진공용기 하단에 위치한 플라즈마 대면장치이다. 

 

디버터는 플라즈마 열속(단위면적 및 단위시간당 들어오는 열에너지의 양 )이 직접 진공용기에 닿지 않도록 방패 역할을 하여 진공용기를 보호하는 동시에 핵융합 과정에서 발생한 각종 불순물을 배출하는 통로가 되어 고성능의 플라즈마가 오래 유지될 수 있도록 돕는다. 

 

이에, 장시간 초고온 플라즈마를 유지하기 위해서는 플라즈마의 운전 시간과 비례하여 증가하는 열에너지를 잘 견딜 수 있는 우수한 내열 성능을 갖춘 디버터를 확보하는 것이 매우 중요하다는게 핵융합연의 설명이다.

 

기존 KSTAR에는 탄소 소재의 디버터가 설치되어 있었으나, 가열 장치의 성능향상 및 1억도 이상 초고온 플라즈마 운전 시간 증가 등으로 탄소 디버터의 열속 한계치를 넘어서게 되었다. 이에 기존의 탄소 디버터를 열속 한계치가 높은 텅스텐 소재의 디버터로 교체하기로 결정하고, ’18년 개발에 착수하였다. 

 

하지만 텅스텐은 금속임에도 충격에 쉽게 깨지는 성질이 있어, 복잡한 형상의 KSTAR 장치에 맞는 디버터를 개발하는 데 어려움이 있었다. 특히 텅스텐과 냉각수가 흐르는 구리소재의 냉각관의 접합이 난관으로 여겨졌으나, 핵융합(연)은 국내 산업체와의 협력을 통해 고온·고압을 이용하여 두 가지 재료를 접합하는 새로운 방식을 고안해 디버터 개발을 추진할 수 있었다. 

 

그 결과, 2021년 첫 번째 시제품 제작에 성공하였으며, ’22년 9월부터 약 1년간 기존 디버터의 해체와 새로 개발한 텅스텐 디버터의 설치를 진행하였다. 

 

새롭게 설치된 디버터는 텅스텐 소재의 모노 블록으로 만들어진 총 64개의 카세트가 모여 KSTAR 내부의 진공용기 하단부를 360도 두르는 형태로 이루어져 있다.

 

텅스텐은 높은 녹는 점과 저항성, 낮은 방사화 등의 특성을 지닌 소재로 기존 탄소 디버터의 단점으로 여겨졌던 불순물 생성 및 냉각의 어려움 등을 보완할 수 있다. 

 

또한, 열속 한계치도  10MW/m2로 탄소 디버터와 비교하여 성능이 약 2배 이상 향상되었다.

 

텅스텐 디버터 환경에서 이루어지는 KSTAR의 첫 플라즈마 실험은 오는 21일에 시작하여 2024년 2월 말까지 진행된다. 

 

주요 목표는 텅스텐 디버터 환경에서 정상적인 장치 운전을 검증하고, 이를 바탕으로 기존에 KSTAR가 달성한 1억도 이상 초고온 고성능 플라즈마 운전 역량을 재현하는 것이다. 

 

KSTAR 연구진은 달라진 디버터 구조에 맞추어 플라즈마 형상의 최적화 방안을 확보하는 등 새로운 디버터 환경의 특성을 빠르게 파악하고 적응하여 최적의 성능을 구현한다는 계획이다. 

 

핵융합(연) 유석재 원장은 “국제핵융합실험로(ITER)와 가장 유사한 장치로 손꼽히는 KSTAR 장치가 ITER와 동일한 텅스텐 소재의 디버터 환경을 갖추게 된 만큼, 향후 ITER의 플라즈마 실험 성공 가능성을 예측할 수 있는 KSTAR의 이번 플라즈마 실험에 전 세계의 관심이 집중되고 있다.”며 “새로운 도전에 나서는 KSTAR의 선도적 연구를 통해 ITER 및 향후 핵융합 실증로 운전을 위한 기술 확보에 앞장서겠다.”고 밝혔다. 

 

한편 KSTAR는 이온온도 1억도 이상의 초고온 고성능 플라즈마 30초 운전에 성공하여 세계 최장 기록을 보유하고 있으며, 2026년까지 300초 운전 달성에 도전하게 된다.   

 

*아래는 위 기사를 '구글 번역'으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다. '구글번역'은 이해도를 높이기를 위해 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*The following is [the full text] of the English article translated by 'Google Translate'. 'Google Translate' is working hard to improve understanding. It is assumed that there may be errors in the English translation.>

 

KSTAR challenges to operate 100 million degree ultra-high temperature plasma for 300 seconds by 2026

 

Korea Fusion Energy Research Institute completes installation of tungsten diverter for long-term ultra-high temperature plasma operation

 

Korea's artificial sun KSTAR has successfully completed equipment upgrades to secure 100 million degree ultra-high temperature plasma long-term operation technology and is starting experiments in a new environment.

 

Korea Institute of Fusion Energy (hereinafter referred to as FURI, Director Yoo Seok-jae) newly developed and installed a diverter, one of the core devices of KSTAR, a Korean superconducting nuclear fusion research device, made of tungsten, and conducted KSTAR's first plasma experiment using it. It was announced on the 13th that it would start.

 

A diverter is a plasma facing device located at the bottom of a vacuum vessel where the strong heat flux of plasma generated inside a nuclear fusion reactor is concentrated.

 

The diverter protects the vacuum vessel by acting as a shield to prevent the plasma heat flux (the amount of heat energy coming in per unit area and unit time) from directly contacting the vacuum vessel. At the same time, it acts as a passage to discharge various impurities generated during the nuclear fusion process, thereby maintaining high-performance plasma for a long time. Helps maintain it.

 

Accordingly, in order to maintain ultra-high temperature plasma for a long time, it is very important to secure a diverter with excellent heat resistance that can withstand the heat energy that increases in proportion to the operating time of the plasma.

 

The existing KSTAR had a carbon diverter installed, but the heat flux limit of the carbon diverter was exceeded due to improved performance of the heating device and an increase in ultra-high temperature plasma operation time of over 100 million degrees. Accordingly, it was decided to replace the existing carbon diverter with a diverter made of tungsten, which has a high heat flux limit, and development began in 2018.

 

However, even though tungsten is a metal, it is easily broken by impact, so it was difficult to develop a diverter suitable for the complex shape of the KSTAR device. In particular, the joining of tungsten and copper cooling pipes through which the cooling water flows was considered a challenge, but through cooperation with domestic industries, Nuclear Fusion developed a diverter by devising a new method of joining the two materials using high temperature and high pressure. was able to promote.

 

As a result, the first prototype was successfully produced in 2021, and the dismantling of the existing diverter and installation of the newly developed tungsten diverter were carried out for about a year starting in September 2022.

 

The newly installed diverter consists of a total of 64 cassettes made of tungsten monoblocks that surround the bottom of the vacuum container inside KSTAR 360 degrees.

 

Tungsten is a material with characteristics such as high melting point, resistance, and low radioactivity, and can complement the problems of impurity generation and cooling difficulties that were considered disadvantages of existing carbon diverters.

 

In addition, the heat flux limit is 10 MW/m2, which improves performance by about 2 times compared to a carbon diverter.

 

KSTAR's first plasma experiment, conducted in a tungsten diverter environment, will begin on the 21st and continue until the end of February 2024.

 

The main goal is to verify normal device operation in a tungsten diverter environment and, based on this, to reproduce the ultra-high temperature high-performance plasma operation capability of over 100 million degrees previously achieved by KSTAR.

 

The KSTAR research team plans to realize optimal performance by quickly identifying and adapting to the characteristics of the new diverter environment, such as securing an optimization plan for the plasma shape in accordance with the changed diverter structure.

 

Director Yoo Seok-jae of the Nuclear Fusion Research Institute said, “As the KSTAR device, which is considered the device most similar to the International Fusion Experimental Reactor (ITER), is equipped with a diverter environment made of the same tungsten material as ITER, KSTAR can predict the possibility of success in ITER’s plasma experiments in the future. “The world's attention is focused on this plasma experiment,” he said. “Through KSTAR's pioneering research in taking on new challenges, we will take the lead in securing technology for operating ITER and future nuclear fusion demonstration reactors.”

 

Meanwhile, KSTAR holds the world's longest record by successfully operating ultra-high-temperature, high-performance plasma for 30 seconds with an ion temperature of over 100 million degrees, and will challenge to achieve 300-second operation by 2026.