▲ 한국의 인공태양 KSTAR  © 액융합에너지연구원

한국의 인공태양 KSTAR가 내벽 부품을 교체한 후 진행한 첫 번째 플라즈마 실험에서 기존 기록을 경신하는 성과를 달성하며, 세계 최고 수준의 플라즈마 운전 역량을 다시 한번 증명했다.

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합(연), 원장 유석재) KSTAR 연구본부는 지난 2023년 12월부터 2024년 2월까지 진행한 2023년 KSTAR 플라즈마 실험을 통해 핵융합 핵심 조건인 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 48초 운전 및 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 102초 운전 기록을 달성하였다고 20일 밝혔다. 

핵융합에너지의 실현을 위해서는 핵융합 반응이 활발히 일어나는 초고온·고밀도 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 기술을 확보해야 한다. 이를 위해 핵융합 연구자들은 KSTAR와 같은 핵융합 장치를 이용해 다양한 플라즈마 운전 연구를 수행하고 있다.

국내 기술로 개발된 초전도핵융합장치인 KSTAR는 그간 핵융합 플라즈마 장시간 운전 기술 분야에서 선도적인 연구 성과를 달성해 왔다. 특히 KSTAR는 지난 ’18년 최초로 이온온도 1억도 플라즈마 달성 이후 ’21년 1억도 플라즈마를 30초 유지하며 세계 기록을 달성한 바 있다. 

KSTAR 연구진은 이번 실험에서 기존 확보한 초고온 플라즈마 운전 기술 및 가열장치 성능 향상 등을 기반으로 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 운전을 48초까지 연장하는 데 성공하였다. 

더불어, 고온·고밀도 플라즈마 상태를 유지하는 가장 대표적인 핵융합 운전모드인 고성능 플라즈마 운전모드(High Confinement mode, H-mode)를 102초간 연속 운전하는 데에도 성공하였다. 

이는 지난 ’23년 KSTAR 내부의 플라즈마 대면 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 교체하여, 장시간 플라즈마 운전에 따른 성능 감소 현상을 완화해 플라즈마 성능을 유지할 수 있게 된 덕분이다. 텅스텐 디버터는 기존의 탄소 디버터와 비교하여 동일 열부하에 대해 표면 온도 증가가 약 1/4 수준에 불과해, 초고온 플라즈마의 장시간 운전에 유리하다. 하지만, 플라즈마 접촉 시 생성되는 불순물에 의한 에너지 손실의 어려움도 있어, 이를 극복하기 위한 운전 기술이 요구된다. 

핵융합(연) 윤시우 KSTAR연구본부장은 “텅스텐 디버터 환경에서 진행된 첫 실험임에도 불구하고, 철저한 실험 준비를 통해 기존 KSTAR의 성과를 뛰어넘는 결과를 단시간 내에 달성할 수 있었다.”며, “KSTAR 최종 운전 목표 달성을 위해 가열 및 전류구동 장치의 성능 향상을 순차적으로 진행하고, 장시간 플라즈마 운전에 요구되는 핵심기술을 확보할 계획이다.”라고 전했다. 

KSTAR 연구진은 이번 실험을 통해 텅스텐 디버터의 성공적인 교체와 성능을 검증하고, 가열·진단·제어 장치 등 KSTAR 주요 구성 요소들이 장시간 플라즈마 운전에 필요한 시스템 안정성을 확보했음을 확인할 수 있었다.

KSTAR의 최종 목표는 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 운전 300초를 달성하는 것이다. KSTAR 연구진은 이를 위해 KSTAR 내벽 부품 전체를 텅스텐으로 교체하고, 인공지능 기반의 실시간 피드백 제어 기술을 확보하는 등 관련 연구 및 장치 성능 개선에 집중할 계획이다. 

핵융합(연) 유석재 원장은 “이번 성과로 핵융합 실증로 운전에 필요한 핵심기술 확보에도 청신호가 켜졌다.”며, “KSTAR 장치의 안정적 운영을 바탕으로 국제핵융합실험로 ITER 실험 주도와 핵융합 실증로 건설 및 운전을 위한 핵심기술 확보를 위하여 최선을 다하겠다.”고 밝혔다. 

*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.>

Nuclear Fusion Energy Research Institute, ‘Artificial Sun KSTAR’ achieves 100 million degree plasma in 48 seconds

Korea's artificial sun KSTAR achieved a record-breaking performance in the first plasma experiment conducted after replacing internal wall components, once again proving its world-class plasma operation capabilities.

The KSTAR Research Division of the Korea Fusion Energy Research Institute (hereinafter referred to as FURI, Director Yoo Seok-jae) achieved ultra-high temperature plasma with an ion temperature of 100 million degrees, which is a key condition for nuclear fusion, through the 2023 KSTAR plasma experiment conducted from December 2023 to February 2024. It was announced on the 20th that it achieved an operation record of 102 seconds in high-performance plasma operation mode (H-mode).

In order to realize nuclear fusion energy, it is necessary to secure technology that can maintain ultra-high temperature and high-density plasma, where nuclear fusion reactions actively occur, for a long time. To this end, nuclear fusion researchers are conducting various plasma operation studies using nuclear fusion devices such as KSTAR.

KSTAR, a superconducting nuclear fusion device developed with domestic technology, has achieved leading research results in the field of long-term fusion plasma operation technology. In particular, after achieving plasma with an ion temperature of 100 million degrees for the first time in 2018, KSTAR achieved a world record by maintaining 100 million degrees plasma for 30 seconds in 2021.

In this experiment, the KSTAR research team succeeded in extending ultra-high temperature plasma operation with an ion temperature of 100 million degrees to 48 seconds based on the existing ultra-high temperature plasma operation technology and improved heating device performance.

In addition, the company succeeded in continuously operating the high-performance plasma operation mode (High Confinement mode, H-mode), the most representative nuclear fusion operation mode that maintains a high-temperature and high-density plasma state, for 102 seconds.

This is thanks to the fact that the diverter, one of the plasma facing devices inside KSTAR, was replaced with a tungsten material in 2023, making it possible to maintain plasma performance by mitigating the performance decrease caused by long-term plasma operation. Compared to the existing carbon diverter, the surface temperature increase of the tungsten diverter is only about 1/4 for the same heat load, making it advantageous for long-term operation of ultra-high temperature plasma. However, there is also the difficulty of energy loss due to impurities generated during plasma contact, and operation technology is required to overcome this.

Si-Woo Yoon, head of the KSTAR Research Division at the Nuclear Fusion Research Institute, said, “Although this was the first experiment conducted in a tungsten diverter environment, we were able to achieve results that exceeded the performance of the existing KSTAR in a short period of time through thorough experiment preparation.” He added, “KSTAR final operation. “To achieve our goal, we plan to sequentially improve the performance of heating and current driving devices and secure the core technologies required for long-term plasma operation.”

Through this experiment, KSTAR researchers were able to verify the successful replacement and performance of the tungsten diverter and confirm that KSTAR's major components, including heating, diagnosis, and control devices, secured the system stability necessary for long-term plasma operation.

KSTAR's final goal is to achieve 100 million degrees ultra-high temperature plasma operation for 300 seconds by 2026. To this end, KSTAR researchers plan to focus on related research and device performance improvement, such as replacing all KSTAR inner wall components with tungsten and securing real-time feedback control technology based on artificial intelligence.

Director Yoo Seok-jae of the Nuclear Fusion Research Institute said, “With this achievement, a green light has been given to securing the core technology needed to operate a nuclear fusion demonstration reactor.” He added, “Based on the stable operation of the KSTAR device, we will lead the International Nuclear Fusion Experimental Reactor ITER experiment and build and build a nuclear fusion demonstration reactor. “We will do our best to secure core technologies for driving,” he said.