[KSTAR 그것이 알고 싶다3] KSTAR의 극저온냉각장치에 대해 알아보자

2015년 11월 11일 18:00

지구에서 태양과 같은 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 수소 원자들을 1억℃ 이상의 초고온의 플라즈마 상태가 필요합니다. 1억도라는 상상하기도 힘든 온도를 유지하기 위해 필요한 것이 바로 KSTAR와 같은 핵융합장치입니다. KSTAR와 같은 토카막형 핵융합장치는 초고온의 플라즈마를 가두기 위해 강한 자기장을 만드는 전자석을 사용합니다.
 
그런데 말입니다. 이처럼 1억도 이상의 초고온의 플라즈마를 가두는 KSTAR 장치가 –268℃도의 극저온 온도를 유지해야한다는 뜻밖의 사실이 있습니다.
 
어떤 이유일까요? 초고온의 플라즈마와 –268℃의 극저온이 공존해야만 하는 KSTAR의 비밀을 오늘 소개할 “극저온 냉각” 과정을 통해 낱낱이 공개해드립니다.
 
앞서 알려진 내용처럼 핵융합을 만들기 위해서는 1억℃의 초고온 플라즈마 만들어야 하지만, 이런 초고온의 플라즈마를 가둘 수 있는 물질이나 재료가 지구에 존재하지 않는다는 문제가 있습니다. 과학자들은 오랜 연구 끝에 플라즈마가 전기적 특성을 갖고 있는 점에서 착안해 강력한 자기장을 이용하여 초고온의 플라즈마를 제어하는 “인공태양”이라고 불리는 토카막 장치를 발명하게 되었습니다.
 
그런데 여기서 두 번째 문제가 발생합니다. 일반적인 전자석을 이용하여 자기장을 발생시켰더니 저항 때문에 열이 발생하여 자기장을 오랫동안 유지하기 매우 어렵다는 것이었습니다. 과학자들이 이 문제를 해결하기 위해 다시 한 번 떠올린 해결책이 바로 저항이 없는 ‘초전도 자석’입니다.
 
KSTAR의 실험 과정 중 오늘 소개할 ‘극저온 냉각’ 과정이 바로 이 ‘초전도 자석’과 매우 관련이 깊습니다. 그 이유는 KSTAR가 앞서 소개한 초전도자석을 이용한 핵융합 연구 장치이기 때문입니다.
 
초전도란 도체의 온도가 매우 낮아졌을 때, 도체 내에 흐르는 전류의 저항이 사라지는 현상을 말합니다. 초전도 상태에서는 도체에 많은 전류가 흘러도 저항에 의한 온도 상승이 거의 없을 뿐 아니라, 이로 인한 전력 손실도 매우 적습니다. 이 때문에 강한 자기장으로 플라즈마를 가두는 장치인 ‘토카막’에는 초전도 자석이 꼭 필요합니다.
 
초전도자석이 초전도성을 띄게 만들기 위해서는 온도를 매우 낮게 유지해야 하는데, 이처럼 초전도자석이 초전도 상태가 되는 지점을 뜻하는 ‘임계온도’라고 불리기도 합니다.
 
초전도체로 가장 많이 사용되는 물질은 나이오븀(Nb)입니다. 나이오븀은 원소들 중에서 임계온도가 가장 높고, 연성이 있으며, 불순물이 들어가면 단단해지는 성질이 있습니다. 이 나이오븀에 주석을 섞어 초전도자석을 만들면 다른 합금보다 임계온도가 높아 좀 더 안정적인 운전이 가능해지고, 강한 자기장을 만들어 낼 수 있다는 장점이 있습니다.
 
그러나 나이오븀-주석(Nb3Sn) 합금은 만드는 과정에서 잘 부스러지는 단점 때문에 세계 어느 나라도 쉽게 도전하지 못하던 상황에서, 우리나라가 세계 최초로 나이오븀-주석 합금으로 초전도 자석을 만들어 KSTAR 장치를 만드는데 성공하여 전 세계의 주목을 받았습니다.
 
그렇다면 KSTAR의 초전도 자석의 운전 온도는 무려 –268℃입니다. 그러면 어떻게 초전도자석을 임계온도 이하로 냉각하고 있을까요? KSTAR는 초전도자석을 안정적으로 냉각시키기 위해 액체지만 기체처럼 퍼져나가는 성질을 가진 ‘초임계 헬륨’을 사용합니다. 기체 같은 특징 덕분에 초전도자석의 구석구석을 고르게 냉각하는 데 유리합니다.
 
KSTAR의 헬륨 냉동기의 성능은 세계적인 수준으로, 시간당 3000L의 액체 헬륨을 생산할 수 있으며, 아시아에서 두 번째로 큰 규모를 자랑합니다.
 
상온 상태에서 –268℃까지 낮추는 데는 보통 보름에서 한 달 가까이 걸리며, 실험이 끝난 뒤에 상온으로 다시 높이는 데에도 비슷한 시간이 걸립니다. 온도에 따라 초전도 자석 및 주변 냉각용기 및 진공용기 등이 급격한 부피변화를 겪어 손상을 입는 일이 없도록 천천히 온도를 낮추고 높이기 때문입니다.
 
이러한 과정을 거쳐 인간이 만들 수 있는 가장 뜨거운 물질인 1억℃의 플라즈마를 담기 위한 인간이 만들 수 있는 가장 차가운 온도인 –268℃의 그릇이 마침내 준비되었습니다.
 
※ 다음 시간에는 본격적인 플라즈마 실험 전 마지막 단계인 초전도 자석 운전을 비롯한 전원 운전에 대한 내용과 함께 KSTAR 장치 실험의 여정을 이어갑니다.


국가핵융합연구소

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