[KSTAR 그것이 알고 싶다 5] 본격 플라즈마 실험 시작

2015년 11월 18일 18:00

초전도핵융합연구장치 KSTAR는 약 두 달에 걸쳐 장치의 내부를 진공 상태로 만드는 진공배기 과정, 초전도성을 띄게 만들기 위한 극저온냉각 과정, 마지막으로 초전도자석이 제대로 작동하는지 확인을 하는 단계인 초전도 자석 전원 운전 시험을 거치며 플라즈마 실험을 위한 모든 준비를 마쳤습니다.
 
이번 시간엔 1년 중 단 13주 동안 만 진행되는 플라즈마 실험에 대해서 살펴봅니다. KSTAR 실험 단계 중에서 한 해의 성과를 결정 지을 수 있는 가장 중요한 단계이기도 합니다. KSTAR 운영에 대한 모든 기술이 집약적으로 발현되는 플라즈마 실험 단계를 시간대별로 밀착 취재하여 플라즈마 실험의 비밀을 낱낱이 공개하도록 하겠습니다.

 

● 08:50 AM, Meeting


플라즈마 실험이 진행되는 13주 동안에는 아침 9시가 되기도 전에 이미 실험 준비는 시작됩니다. 당일 진행하는 실험에 필요한 장치의 상태를 확인하는 'Engineering Meeting'과 전일 실험 결과를 브리핑하고 당일 실험 계획을 논하는 'Physics Meeting'이 이른 시간부터 진행됩니다.


● 09:00 AM, Reference Check


플라즈마 실험을 위해 KSTAR 장치가 가장 먼저 시작하는 준비는 Reference Check 실험입니다. 이는 초전도 자석의 실제운전을 제외하고 플라즈마 발생 실험을 위한 모든 장치들이 순서대로 이상 없이 작동하는지 확인하는 단계입니다.

 

이 단계가 완료된 후에 Magnetic Diagnostics Test라고 하는 초전도자석의 운전 및 자기 센서들의 이상 유무를 확인하기 위한 테스트가 이어집니다. 이 두 가지 단계는 실제 플라즈마는 발생시키지 않은 채, 플라즈마 발생 실험을 위한 장치 점검을 위하여 수행됩니다.
 
플라즈마 실험 전 마지막 준비단계로 Wall reference shot을 발생시킵니다. 플라즈마는 진공용기 내부 벽의 상태에 따라서 발생 및 제어에 크게 영향을 받기 때문에 매일 똑같은 절차로 플라즈마를 발생시켜 내벽의 변화를 관찰하고 그 결과를 그날 플라즈마 실험에 반영하게 됩니다. 부수적으로 실제 플라즈마를 대상으로 진단장치 등의 상태를 점검하는 역할도 수행합니다.

 

● 09:40 AM, 실험 시작

 

국가핵융합연구소 제공
국가핵융합연구소 제공

연구자들은 보통 한 샷(shot)이라고 표현하는 플라즈마 발생 실험을 본격적으로 시작합니다. 플라즈마 실험, 즉 한 샷은 약 15분 간격으로 진행이 되는데, 이 15분이라는 시간에는 두 가지 비밀이 숨겨져 있습니다.
 
첫 번째 비밀은 바로 초전도자석입니다. 플라즈마 실험을 한 번 진행한 초전도자석은 약간의 온도 상승이 생기게 됩니다. 초전도자석이 적절한 초전도성을 띄기 위해선 –268℃의 극저온이 유지 되어야하기 때문에 초전도자석을 다시 식힐 시간이 필요한 것입니다. 초전도자석을 식히는 동안 KSTAR 진공용기의 타일이나 리미터 등도 본래의 온도로 돌아가며 안정적으로 다음 실험을 진행할 수 있게 됩니다.
 
다음은 플라즈마 실험이 한 번 진행될 때마다 쏟아져 나오는 어마어마한 데이터양에 그 이유가 있습니다. 플라즈마 실험이 진행되면 각각의 진단장치를 통해 실험에 대한 데이터를 얻고, 그 데이터는 MDS plus라고 하는 데이터베이스 시스템으로 전송됩니다.
 
한 번 전송되는 양이 작게는 몇 기가에서 수십 기가에 이르기 때문에 단순히 데이터를 전송하는 데만 몇 분이 소요됩니다. 연구자는 이렇게 전송된 데이터를 분석하여 다음 실험의 운전요소 (전류, 연료주입, 가열, 플라즈마의 위치 등)를 조절하게 되는데, 이에 대한 준비를 마치고 나면 약 10분에서 15분 정도가 소요되게 되는 것입니다.
 
연구자의 성향, 장치의 상태 등에 따라 달라지긴 하지만 위의 과정을 거쳐 하루에 약 25~35번 정도의 플라즈마 발생 실험이 진행됩니다.
 
● 18:00 PM, 실험 정리


정해진 시간 동안 더 많은 연구를 진행하기 위해 점심 식사도 도시락으로 떼우며 진행한 오늘의 실험이 드디어 끝났습니다. KSTAR 장치도 잠시 휴식에 들어가고 연구자들 역시 하루 동안의 실험을 되돌아보며 마지막 정리를 진행합니다.
 
● 19:00 PM ~ 07:00 AM, 환기 작업


모두가 잠든 시간 KSTAR는 잠시 잠에서 깹니다. Glow Discharge Cleaning이라고 하는 일종의 저온 플라즈마를 이용한 환기가 새벽에 두 번 진행이 되기 때문입니다. 이러한 환기를 통하여 실험이 진행되는 동안 벽에 축적된 연료 가스 및 불순물 가스를 제거하여 다음 날의 플라즈마 발생 실험도 문제없이 진행 할 수 있도록 합니다.

 

하루 24시간 빽빽한 일정 속에 진행되는 플라즈마 물리 실험은 10월 말까지 이어집니다. 하지만 여기서 끝이 아닙니다. KSTAR는 최종 운전 종료 직전 승온 운전이라고 불리는 단계를 거쳐야 합니다.
 
승온 운전은 실험 과정 동안 초전도자석의 초전도성을 유지시켜주던 헬륨분배장치 운전을 정지하여 극저온냉각 상태를 다시 상온으로 되돌리는 작업입니다. KSTAR 운전 중 두 번째 단계인 극저온냉각운전에서 극저온을 만드는 데 약 보름이 걸렸던 것처럼 다시 상온으로 되돌리는 데도 보름 정도가 소요됩니다.
 
이렇게 약 반 년 간 이어져 온 KSTAR 운전 일정이 모두 끝나면 KSTAR는 다시 내년 운전을 준비하며 긴 휴식에 들어갑니다.

 

국가핵융합연구소 제공
국가핵융합연구소 제공

연구자들은 종종 KSTAR의 플라즈마 실험을 1년 농사에 비유하곤 합니다. 정해진 기간 동안 연구에 필요한 데이터를 얻지 못하면 다음 해에 실험을 시작하기 전까지 연구에 차질이 생기기 때문인데요. 그만큼 연구자들에게 13주란 시간은 소중하면서도 매우 힘겨운 시간이 아닐 수 없습니다.
 
현재 6주차로 접어든 KSTAR의 플라즈마 물리 실험은 비교적 문제없이 활발하게 진행되고 있습니다. 지난 2014년에는 고성능 플라즈마 운전 모드를 뜻하는 H-mode의 세계 최장시간인 48초를 달성하는 등 핵융합 연구 분야에서 세계적 성과를 일궈낸 바 있습니다. 과연 2015년 올 해에는 어떤 새로운 도약을 보여주게 될지 매우 기대됩니다.
 
남은 기간 동안 무사히 실험을 진행하여 다시 한 번 세계를 놀라게 할 도약을 보여줄 수 있도록 연구자들과 KSTAR에 많은 응원과 관심을 부탁드립니다.


국가핵융합연구소

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