[KSTAR 그것이 알고 싶다 4] 플라즈마 실험을 시작하려면 어떤 준비가 필요할까?

2015년 11월 16일 18:00

초전도핵융합연구장치 KSTAR는 핵융합에너지 상용화 기술 확보를 위해 핵융합 플라즈마 실험을 한창 진행하고 있습니다.

 

핵융합 플라즈마 실험은 매년 6개월에 걸쳐 진행됩니다. 이중 첫 두달은 KSTAR로 실험을 진행하기 위한 준비과정이 진행됩니다.

 

가장 중요한 비중을 차지하는 것은 플라즈마 발생 및 운전 실험단계이지만, 두 달간의 장치 준비과정이 제대로 이루어지지 않는다면 플라즈마 발생 실험도 결코 진행할 수 없기 때문에 이 준비 과정은 고성능의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 핵심 단계가 되기도 합니다.
 
KSTAR의 플라즈마 발생 실험 준비단계는 크게 세 단계로 구분됩니다.

 

1단계는 KSTAR 내부를 우주공간과 같이 매우 압력이 낮은 진공 상태로 만드는 진공 및 배기 단계입니다. 2단계는 KSTAR의 초전도 자석이 저항값 0을 유지하는데 필요한 –268℃의 초저온 상태를 만드는 극저온 냉각 단계입니다. 마지막 3단계가 바로 오늘 소개해 드릴 초전도 자석 전원 운전 단계입니다.
 
KSTAR의 성공적인 플라즈마 발생 실험을 이끄는 초전도 자석 전원 운전의 비밀을 지금부터 공개합니다.
 
먼저 전원 운전을 시작하기 전에 초전도자석이 초전도성을 제대로 띄는지 확인해보는 초전도자석 특성시험이 진행됩니다. 초전도란 도체의 온도가 매우 낮아졌을 때, 도체 내에 흐르는 전류의 저항이 사라지는 현상을 말하는데, 실험에 들어가기 전 극저온으로 냉각 된 자석의 저항을 측정하여 제대로 초전도성을 띄는지 확인하는 것입니다.
 
초전도자석 특성시험을 통해 초전도자석의 상태가 정상임을 확인한 뒤에는, 초전도 자석에 실제 플라즈마 발생 실험과 동일한 고전류를 초전도자석에 흘려주어 플라즈마 발생 실험을 수행할 준비가 되었는지 최종적으로 확인하는 전원 운전에 돌입하게 됩니다.
 
KSTAR에 설치되어 있는 초전도자석은 크게 토로이달 초전도자석과 폴로이달 초전도 자석으로 나눌 수 있습니다. 그 중에 정적인 토로이달 초전도자석은 플라즈마를 발생시키고 플라즈마를 진공용기에 가두는 역할을 수행하는데, 실제와 마찬가지인 최대 35kA의 전류를 흘려 자석이 제대로 작동하는지 확인합니다.
 
반면에 동적인 폴로이달 초전도자석의 경우는 다양한 파형으로 최대 약 15kA의 전류를 흘려보게 되는데, 각각의 폴로이달 코일이 제대로 작동하는지 확인하는 개별 성능시험과 전체 폴로이달 코일을 동시에 작동시켜보는 종합시운전으로 나눠서 진행하게 됩니다. 그 이유는 폴로이달 초전도자석의 경우 플라즈마의 위치 및 형상, 전류를 제어하는 섬세한 역할을 하므로 개별적인 자석의 성능 및 각 자석간의 간섭효과를 확인할 필요가 있기 때문입니다.
 
이처럼 초전도자석의 상태를 시험해보는 과정은 플라즈마 발생 실험 도입 전에 최종적으로 진행할 뿐 만 아니라, 플라즈마 발생 실험기간에도, 초전도자석의 상태와 진단장치의 이상 유무를 모니터링하기 위하여, 매일 아침 동일한 시운전 과정을 수행합니다.
 
이 외에도 전원운전 단계에서는 플라즈마 발생 실험 시 플라즈마 상태를 진단하기 위한 진단장치나 연료를 주입하는 연료주입계, KSTAR 장치에 갑작스런 이상 상황이 생겼을 때 자동적으로 운전 수행 과정을 정지시키는 인터록 시스템 등을 최종적으로 점검하며 실험을 준비합니다.
 
마침내 앞으로 13주간의 플라즈마 실험을 진행하기 위한 모든 준비가 끝났습니다.
 
※ 다음 시간에는 본격적인 플라즈마 실험에 대한 내용과 함께 KSTAR 장치 실험의 여정을 이어갑니다.


국가핵융합연구소

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