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[해외기술특집] 국제핵융합실험로(ITER)의 임무
2009-04-07

국제핵융합실험로(ITER)의 임무


개요

전 세계의 핵융합 연구 개발이 크게 전개되고 있다. 2005년에 국제핵융합실험로(ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor) 건설 장소가 결정된 이래, 계획 개요 및 실시 체제가 점점 준비됨에 따라 10년 후 완성을 목표로 드디어 건설되기 시작했다. ITER 계획은 유사이래 대규모 첨단 과학 기술이 집약된 국제 협력 사업이다. 이 계획의 성공으로 인해 새로운 에너지 시스템으로서 핵융합이 실용화되는 데 한층 더 다가섰다. 21세기의 환경과 에너지 문제는 인류가 공동으로 해결해야 할 중요한 과제지만, ITER 계획은
각 나라가 책임을 지고 공동 대처해야 하는 사업 모델이다.

ITER 계획의 경위

1985년 미국의 레이건과 소련의 고르바초프에 의한 미 · 소 수뇌부 회의에서 동서 긴장 완화의 상징적 사업으로 핵융합 실험로의 실현을 진행하는 안이 제창됐다. 이에 일본, 유럽도 동참하여 4국가 공동사업으로 ITER 활동이 시작됐다. 1988년부터 3년 동안은 개념 설계, 1992년부터 9년에 걸쳐서는 공학 설계 활동이 이루어졌다. 공학 설계 활동 후에는 ITER이 건설돼야 하는데, 그 건설 장소를 어디로 하는가를 둘러싸고 협의가 시작됐다.
처음에 캐나다가 유치에 입후보하고 일본과 유럽은 각각 자국 후보지 중 일본은 아오모리(아오)현 롯카쇼무라(괯ヶ所村), 유럽은 프랑스 남동부 카다라쉬(Cadarache)로 유치 경쟁에 참여했다. 4년간의 교섭 끝에 2005년 6월 모스크바에서 열렸던 장관회의에서 ITER 건설 장소를 프랑스 남동부 마르세이유 근교의 카다라쉬로 정해졌다. 건설 장소 결정 후 당초 4국가 외 중국, 한국, 인도가 참가함으로써 7국가 공동 사업으로 진행됐다. ITER 활동은 국제기관으로 설립됐던 ITER 기구를 중심으로, 참가 각국의 비준을 거쳐 2007년 10월 24일에 협정이 정식으로 발효됐다. 이 활동은 약 10년간의 건설 및 20년간의 실험 운전 그리고 그 후 폐지 조치를 포함해 35년에 걸쳐 진행되며 참가국은 유럽이 건설비의 약 50%, 다른 참가국이 약 10%의 자금적 공헌을 약속했다. 협정 수속과 병행하여 기구장 외 주요인사 직원을 공모 · 내정하여 2007년 10월 말에 ITER 기구의 직원수 약 150명과 지원 요원 약 40명이 카다라쉬에서 건설 준비 작업 중이다.

대형 실험 장치에서
실험로와 발전 원형로로

1980년대에 차례로 건설됐던 대형 핵융합 실험장치와 플라즈마 가열 기술의 진전으로 인해 자계를 사용한 플라즈마 폐입 성능은 놀랍게 진보했으며, 그 지표인 에너지 증배율 Q는 1을 초과하는 단계에 이르렀다. Q 값은 플라즈마를 초고온으로 가열하기 위해 외부에서 주입하는 파워에 대한 핵융합반응으로 발생한 파워의 비다. 즉, JET(유럽 연합) 및 JT-60(일본) 등의 토카막형 대형 실험 장치에 의해, 후자가 전자를 상회하고 단기간 동안 핵연소 플라즈마를 모의할 수 있는 성능의 플라즈마를 얻을 수 있게 됐다.
한편 핵융합발전이 실용 플랜트로 성립되기 위해서는 에너지 증배율 Q 값이 30~50이 되는 플라즈마를 안정적으로 유지하며 정상 운전을 해야 한다는 것을 실용로 시스템 검토로 알 수 있었다.
최초로 핵융합발전을 실증한 핵융합로는 발전 원형로라고 하고(또는 단순히 원형로 및 DEMO라고도 한다),원형로에서의 발전이 실용화를 향한 이정표가 된다. 그러나 안타깝게도 그 다음 단계인 현재 가동 중인 대형 실험 장치에서 한 순간 원형로로 비약할 수 없어 그 중간에 위치하는 장치가 필요하다.
이것이 핵융합 실험로 ITER이다.


ITER의 임무

1. 플라즈마 성능에 부과된 임무
외부에서 파워 주입에 의해 플라즈마가 가열되어 온도, 밀도가 높아지면 핵융합반응이 활발해지는데, 핵융합반응 파워가 주입 파워와 같은 정도일 때 플라즈마 온도 및 밀도 분포는 주입 파워 및 외부에서 더해지는 자계의 구조에 의해 거의 정해진다. 따라서 플라즈마 제어 방법에 지금까지 쌓아 올린 노하우를 적용할 수 있다. 그러나 핵융합반응에 의한 파워가 주입 파워를 훨씬 상회하게 된다면 핵융합 반응으로 발생하는 열 분포가 플라즈마의 온도 및 밀도, 전류 등의 분포를 스스로 정하게 되어 새로운 영역으로 들어가게 된다. 기존 대형 실험 장치와 원형로 사이에 가로놓이는 최대 과제는 ‘이러한 (자기)가열이 큰 역할을 담당하는 Q 값이 큰(핵융합 발열이 큰) 플라즈마를 얼마나 제어해야 안정적으로 유지할 수 있는가’하는 문제다. 이 과제를 ‘핵연소 플라즈마 제어’라고 하며, 그 대상 영역은 온도로는 약 1억 ℃ 이상, Q 값으로는 약 10 이상의 영역이다. 이상의 내용을 가진 실험 장치를 실험로라고 하는데, ITER은 국제적 협력으로 이러한 시설을 건설하고 임무를 달성하도록 한다. 핵연소 플라즈마의 제어를 실증하기에는 플라즈마의 제량이 과도적인 상태를 거쳐 정상적으로 되기까지의 시간을 제어해야 한다. 특히 플라즈마 전류가 정상이 되는 시간은 길고, ITER 클래스 장치에서는 400초 이상의 실험이 가능해야 한다.

2. ITER 기술과 공학적 임무
ITER의 공학적 임무는 먼저 노를 구성하는 공학기기에 대해서 핵융합 환경(열, 중성자, 전자력) 하에서의 통합 시험을 행하는 것이다.
핵융합의 연구 개발은 요소 기기 및 서브시스템(Subsystem) 단위로 개발하고, 핵융합 장치에 구성 · 통합하는 방법으로 진전되고 있다. 대형 토카막 장치 건설 단계에서 대용량 가열 장치의 기술 혁신이 있었는데, 이것이 대형 토카막 장치로 통합됐다. ITER 단계에서는 초전도 코일 기술, 연료인 트리튬의 취급 기술, 내열 · 내중성자 재료 등이 새롭게 도입된 ITER이라고 하는 장치로 통합된다. 즉, 실험로 ITER의 단계에서는 발전을 위한 블랭킷(발전용 블랭킷) 이외의 기기는 모두 통합되어 ‘발전’이라는 핵융합 에너지의 이용 기술에 들어가기 전, 거의 모든 구성기기를 통합한 상태로 시험할 수 있는 환경을 만들어 낼 수 있다. 그 때문에 그 후의 연구 개발은 발전용 블랭킷을 위한 재료 개발에 주안을 둔다.
ITER로 발전 실증을 하지 않는 이유는 ITER에서의 실험의 주목적이 앞서 언급한 바와 같이 핵연소 플라즈마 제어이기 때문이다. 이 제어 기술을 획득하여 처음으로 에너지 시스템으로서의 미래가 더욱 밝아졌다고 생각한다.
ITER의 다음 원형로에서는 발전 블랭킷으로 중성자 에너지를 열로 변환하여 냉각수 등에 의해 외부로 방출하여 발전에 사용한다. 동시에 연료인 트리튬을 블랭킷으로 생산한다.
그렇다면 원형로에 필요한 발전용 블랭킷은 어떻게 개발할 것인가.
발전용 블랭킷의 설계와 연구 개발은 오랜 기간에 걸쳐 착실하게 진행돼 왔지만, 발전용 블랭킷구성 각 재료의 기초 데이터는 갖추고 있다.
블랭킷은 모듈 단위로 나뉘는데, ITER에서는 원형로를 향한 각 참가국이 개발한 모듈의 기능 시험을 안정적인 핵연소 플라즈마를 얻기 위해서 실시 할 예정이다. 그러나 원형로에서는 ITER에 비해 핵융합 에너지의 발생 밀도가 높고 가동률이 현격히 높기 때문에 중성자의 적산조사량(積算照射量)이 50~100배 더 높아 블랭킷의 플라즈마 대향면에 ITER에서 사용되는 스테인리스강을 사용할 수 없다.
저방사화(低放射化) 페라이트강(예를 들어 일본에서 개발된 것으로 F82H라고 하는 것이 있다)은 고온에서도 사용이 가능한 데다 중성자 조사에서도 내성이 높다. 더욱이 방사화 레벨도 낮아 유망 재료로 20년 이상의 기간에 걸쳐 개발이 진행중이지만, 그 한계(사용 가능 수명)를 알 필요가 있다. 그러나 ITER에서는 적산조사량이 너무 낮아 재료의 수명에 관한 시험은 불가능하다. 그 때문에 강력한 중성자를 장시간 조사할 수 있는 시설의 건설이 꼭 필요한데, 이것은 ITER과는 달리 국제 협력에 의해 계획되어 그 설계와 연구 개발이 이루어지고 있다.(국제 핵융합 재료 조사 시설 : IFMIF)

ITER 장치란?

공학 설계 활동으로 설계된 ITER 단면을 <그림2>에, 그 주요 파라미터를 <표>로 나타냈다.


장치 본체는 직경 30m 정도의 크라이오스태트(Cryostat)라고 하는 진공 탱크 속에 조립되어 있다. 오렌지색의 플라즈마는 약간 세로로 길게 변형된 도넛 모양을 하고 있다. 초전도 코일이 만들어 내는 강력한 자계에 의해 1~5억 ℃의 플라즈마가 진공 용기 벽에서 떨어져 나와 진공 속에서 떠다니는 상태로 유지된다. 초전도 코일은 3종류로, 도넛 방향의 플라즈마를 안정화시키는 자계를 발생하는 토로이덜(Toroidal) 자계 코일과 플라즈마 단면 형태를 만드는 폴로이덜(Poloidal) 자계 코일군 그리고 플라즈마에 전류를 흘리는 역할을 겸비하는 중심 솔레노이드 자계 코일이 그것이다. 모두 ITER을 위해 개발된 최첨단 선재 니오브(Nb) 주석(Sn) 초전도체를 사용한다. 다이버터(Diverter)는 핵융합반응으로 만들어진 헬륨을 진공 펌프로 유도하기 위한 기기로, 중심에서 흘러나간 플라즈마의 일부가 직접 재료의 벽에 접촉하기 위해 다이버터의 벽에는 흑연 및 텅스텐 등의 내열 재료가 사용된다. 핵융합반응에 의한 열 출력 중 20%는 플라즈마 가열에 사용되고 남은 80%는 중성자가 가진 운동에너지로 주위 기기에 흡수된다. 플라즈마를 모포와 같이 둘러싸고 중성자를 흡수하는 기기를 ‘블랭킷’이라고 한다. ITER.의 블랭킷(차폐 블랭킷이라고 한다)은 중성자의 운동에너지를 받는 것일 뿐, 그 열을 발전에 사용하는 것까지는 생각할 수 없다.
핵융합에 의한 열 출력은 50만 ㎾, 에너지 증배율Q 값은 10배 이상, 실험 시간은 400초 이상이며 1000초 이상의 플라즈마 정상 제어 실험도 가능하다. 이렇게 ITER에서는 높은 Q 값에서의 핵연소 플라즈마 제어 외에, Q ~ 5레벨인 플라즈마 전류 절반 이상의 자발 전류와 빔 및 전자파를 외부에서 입사해 전류 구동을 행하는 정상 플라즈마 실현을 목표로 한 연구도 행해지고 있다.
이런 성과는 ‘Q > 30’으로 정상 플라즈마가 필요한 원형로에서 실현된다.

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