▲ KSTAR 주장치 및 주요 부대장치

과학기술정보통신부는 한국과 미국이 ‘한국의 인공 태양’으로 불리는 초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 활용한 공동연구(한국핵융합에너지연구원 – 미국 프린스턴플라즈마물리연구소)를 통해, 핵융합에너지 상용화의 핵심 과제인 플라즈마 운전 안정성을 높이기 위한 핵심기술을 확보했다고 6일 밝혔다.

붕소(Boron) 분말 주입을 통해 핵융합로 내벽으로부터 나오는 텅스텐 불순물의 생성량이 감소되는 현상을 세계 최초로 관측했으며, 노심 플라즈마를 보다 안정적으로 제어할 수 있는 가능성을 확인했다.

핵융합 장치의 내벽은 초고온 플라즈마에 직접 노출되기 때문에, 열에 강한 텅스텐이 차세대 내벽 소재로 주목받고 있다. 초전도핵융합연구장치(KSTAR)는 지난 2023년 내부의 핵심 부품인 ‘디버터’를 텅스텐 소재로 교체했고, 국제핵융합실험로(ITER) 역시 텅스텐 내벽 적용을 추진 중이다.

다만 고온 플라즈마 운전 시 텅스텐 입자가 플라즈마에 유입될 경우, 장치의 운전 안정성과 플라즈마 성능에 영향을 줄 수 있어 이를 제어하는 기술은 국제적으로 중요한 연구 과제로 여겨왔다.

이번에 붕소 분말을 초고온 플라즈마에 실시간으로 주입해 운전 정지 없이 내벽 상태를 능동적으로 제어할 수 있어, 실시간 플라즈마-내벽 상호작용 제어 기술의 획기적인 진전을 보여주는 결과로 평가된다.

또한 이번 성과는 초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 기반으로 한·미 연구진의 긴밀한 협력을 통한 국제 공동연구의 결실이다. 그동안 한·미 양국은 2010년 ‘한·미 핵융합 연구 협력 시행약정’을 체결한 이후, 토카막 물리, 플라즈마-내벽 상호작용 제어 연구 등 다양한 분야에서 공동연구를 이어오고 있다. 이번 연구의 성과를 통해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 정밀한 운전 능력과 높은 신뢰도를 기반으로 국제 공동연구의 중심 체계(플랫폼)로 자리 잡고 있음을 입증했다.

정택렬 과학기술정보통신부 공공융합연구정책관은 “이번 연구는 그간의 축적된 협력과 신뢰를 바탕으로 핵융합의 핵심기술을 도출한 사례로, 국제 공동연구를 통한 기술 강화의 중요성을 잘 보여준다”고 밝혔다. 이어 “정부는 초전도핵융합연구장치(KSTAR)와 같은 국내 기반 시설(인프라)을 활용해 실험 성과를 지속적으로 확보하고, 이러한 성과들이 핵융합에너지 실현 가속화와 향후 핵융합 연구의 주도적 역할을 위한 핵심기술 확보로 이어질 수 있도록 적극 지원하겠다.”고 덧붙였다.

한편, 이번 연구 결과는 국제 핵융합 분야의 권위 있는 학술지인 『Nuclear Fusion』 Vol.65(8월 발행)에 게재되어, 학계에서도 그 중요성과 우수성을 인정받았다.