[포커스] 핵융합 에너지 개발에 필수적인 고주파 가열장치 개발

'꿈의 에너지'로 불리는 핵융합 에너지 개발을 위해 플라즈마 온도를 수천만℃ 이상으로 끌어올리는데 필수적인 '고주파 가열장치'의 핵심부품인 '안테나 및 고주파 전송장치'를 국내 연구진이 개발하는데 성공했다.

한국원자력연구원(원장 박창규) 핵융합공학기술개발센터 곽종구 박사팀은 과학기술부 기초과학연구사업의 일환으로 지난 1998년부터 10년간의 연구개발을 통해 송출기를 제외한 고주파 가열장치를 100% 국산화하는데 성공했다고 밝혔다. 고주파 가열장치는 메가헤르츠(㎒)대 고주파의 전자기파 에너지를 이용해서 플라즈마를 가열하는 장치로, 8월 본격 가동되는 '차세대 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)'의 가열시스템을 이루는 핵심 장치다.

고주파 가열장치는 플라즈마 내부의 고유한 이온공명 현상을 이용하여 플라즈마를 가열하고 토카막 전류를 구동하기 위한 장치로 고주파를 발생시키는 '고주파원(송출기)', 고주파 전력을 플라즈마에 입사시키는 '안테나', 고주파원과 안테나 사이에서 고주파 전력을 제대로 전달하기 위한 '정합장치'로 구성되어 있다. 특히 안테나는 수천만℃ 이상의 고온 플라즈마와 직접 대면하면서 고주파 출력을 전달해야 하므로 핵융합로의 가장 중요한 부품 중 하나이다.

곽종구 박사팀은 고진공을 유지하면서 고주파, 고전압을 견딜 수 있는 안테나와 정합장치를 국산화하는데 성공했다. 완성된 고주파 가열장치는 10 밀리바(mbar)의 진공도를 유지하면서 설계 내전압 35kV보다 높은 40kV를 유지할 수 있고, ITER와 같은 토카막 환경에서 세계적으로 처음으로 300초 이상 10MW/m2의 고주파 방사출력이 가능하도록 개발되었다. MW급 고출력 고주파 전송을 위한 고주파 전송용 진공창(Vacuum feedthrough), 고주파 통과 직류차단(Dc break), 임피던스 정합장치, 공냉식 전송선 등을 모두 국내 기술로 개발하였다.

한국원자력연구원은 고주파 가열장치의 성공적인 개발을 통해 선진국 수준의 고주파 관련 핵융합 기술의 우위를 확보하게 되었고, 핵융합 에너지 개발을 위한 대형 국제공동연구 ITER 등 핵융합 실증로 및 핵융합 발전기술의 상용화 시기까지 기술선진국으로서 입지를 다질 수 있는 계기를 마련하였다. 또한 확보한 고주파 가열기술은 핵융합 발전 뿐만 아니라 반도체 및 금속/세라믹 가공, 고주파 무기, 우주선 추진체 개발 등 다양한 분야에 활용될 전망이다.

8월 준공을 앞둔 '차세대 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)'는 초전도 자석으로 만들어지는 토카막 방식을 채택한 우리나라의 핵융합 연구장치로, 플라즈마를 핵융합이 가능한 초고온(1억℃ 이상)까지 가열하기 위한 가열시스템으로 중성입자빔 가열장치, 고주파 가열장치, 마이크로파 전자 가열장치 등을 갖추게 된다. 특히 고주파 가열장치는 2008년 초기 플라즈마 발생단계부터 사용되어 핵융합 플라즈마 중심부를 가열하는 주기능 뿐만 아니라 고자장(3 테슬라) 환경하에서 플라즈마 가둠용기의 내벽 세정작용을 통하여 양질의 고온 플라즈마를 발생하는데 기여할 것으로 보인다.


글_편집부