포커스

국가핵융합연구소, 초전도 핵융합장치 KSTAR 완공!

제작기간 11년 8개월, 3090억원 투입, 39개 유관기관, 총 1500여명 참여
2008년 11월까지 주장치 및 시스템 운전 시험 완료할 계획

‘인공태양’이라 불리는 차세대 초전도 핵융합장치 KSTAR(Korea Superconducting Tomak Advanced Research)가 완공되었다. 지난 9월 14일 국가핵융합연구소에서 열린 완공식에서 그 위용을 드러낸 KSTAR는 우리나라를 에너지 강국의 반열에 올려놓을 포석으로 평가받고 있다.
국가핵융합연구소 신재인 소장은 “세계 최초로 모든 자석이 초전도로 이뤄진 가장 진보적인 형태의 핵융합장치”라며 “국제핵융합실험로 ITER에 사용되는 신소재초전도체를 적용했다”라고 밝혔다.
KSTAR는 EU와 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 선진국들이 2015년 개발을 목표로 공동프로젝트를 추진하고 있는 ‘국제핵융합실험로(ITER)’의 선행모델로서 현재까지 만들어진 세계 핵융합장치 중 유일하게 ITER에 적용되는 것과 같은 최첨단 신소재의 초전도자석을 사용하였다. 순수 국내 자체 기술로 만들어진 KSTAR는 95년 12월부터 2007년 8월까지 11년 8개월의 제작 기간이 소요되었다. 정부와 민간 자금을 포함하여 총 3090억원의 비용이 투입되었으며 총 39개의 기관이 참여하였다. 원자력연구소, 과학기술원 등  5개 연구기관, 서울대·포항공대 등 10개 대학, 포스콘 ·현대중공업·두산중공업 등 24개의 산업체에서 1510명의 인력을 투입하여 완공이 이루어졌다.
성공적인 건설 완료를 선언한 KTAR는 향후 본격적인 실험을 앞두고 장치의 종합적인 시운전을 통한 점검을 하게 된다.
내년 하반기까지 모든 시운전을 마치고 핵융합을 달성하기 위한 첫 번째 플라즈마를 생성할 예정이다. KSTAR의 플라즈마 발생기술은 ITER의 초기의 플라즈마 방전에 바로 적용 가능하다.
핵융합연구소 관계자는 “KSTAR는 기존 핵융합장치들이 해결할 수 없었던 핵융합 상용화를 위한 필수 과제 ‘장시간 핵융합 플라즈마 운전’과 ‘제어기술 습득’을 목적으로 하는 장치”라며 “KSTAR는 최종 3억도 이상의 플라즈마를 300초 이상 가동하는 것을 최종 목표로 하고 있다”고 밝혔다. 
핵융합에너지는 지구온난화를 야기하는 온실가스를 배출하지 않고 폐기물 또한 소량의 방사능에 의한 중·저준위 폐기물로 위험이 적어 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 또한 핵융합의 원료인 중수소는 바닷물에서 무한 추출이 가능하므로 KSTAR를 활용하면 우리나라가 에너지 빈국이라는 오명에서 벗어날 수 있을 것이라고 관계자들은 기대하고 있다.
과학기술부는 KSTAR의 완공을 바탕으로 2021년까지 핵융합에너지 기술 5대 강국에 진입하고 이후 2040년대에는 한국형 핵융합 발전소를 만들어 전기를 생산한다는 계획을 발표하였다. 핵융합연구소 관계자는 “향후 20년간 KSTAR의 운영을 통하여 자체적인 핵융합 기술을 습득하고 동시에 국제핵융합실험로 ITER 프로젝트의 참여로 핵융합 상용화에 필요한 핵심적인 기술을 습득할 예정”이라고 밝혔다.
이를 통해 핵융합에너지로 전기 생산을 실증하는 핵융합실증로 건설을 2030년대에 마쳐, 2030년대 후반에는 한국형 핵융합 발전소를 건설한다는 계획이다. 무한·청정에너지 공급원으로 기대를 모으고 있는 한국형 인공태양 KSTAR는 국제핵융합실험로 ITER의 선행모델로서 운전 성공 여부에 전 세계의 이목이 집중되고 있다.
정선진 기자

핵융합 에너지원리와 KSTAR
태양은 핵융합 반응을 통해 에너지를 발생시킨다. 핵융합은 물질이 플라즈마 상태일 때 발생한다. 그런데 지구에서는 태양처럼 핵융합 반응이 일어날 수 있는 초고온, 고압 상태의 환경이 아니므로 강력한 자기장을 발생시켜 플라즈마를 가둬야 한다. 인공적으로 핵융합 반응을 일으키는 장치 중 가장 발달한 것이 토카막 방식으로 KSTAR에도 이 방식이 적용되었다.
토카막 장치는 초대형 자석을 통해 자기장을 발생시켜 초고온의 플라즈마를 가둬 핵융합을 일으킨다. 태양과 유사한 방식으로 핵융합을 일으키므로 인공태양이라고도 불리는 것이다. 초고온 초고밀도 플라즈마를 장시간 유지하고 제어하는 것이 바로 KSTAR의 목표이다. 국가핵융합연구소는 많은 양의 전류를 얻기 위한 초전도 자석을 순수 국내 기술로 개발하였으며 전기저항을 없애기 위하여 절대온도인 영하 273도에 근접하는 극저온 냉각장치를 가동시켰다.

신재인 국가핵융합연구소 소장

KSTAR, 국제핵융합실험로 ITER의 축소판 선행모델, 선행 실험과 운전!
핵융합연구능력을 확보, 한국형 핵융합발전소를 건설하기 위한 기틀 다질 것

신재인 연구소장

◆학력
서울대학교 원자력공학과 공학사
미국 MIT 핵공학공학박사
◆경력
원자력환경관리센터 소장
한국원자력연구소 소장
과학기술부 미래유망기술위원회 공동위원장
한국핵융합협의회 회장
국가핵융합연구소 소장

KSTAR가 지난 8월 드디어 완공되었다.
인공태양이라 불리는 KSTAR의 완공이 갖는 의미는?
핵융합 장치 건설은 이미 선진국에서 시도되어 왔고 여러 국가들이 크고 작은 핵융합장치를 운영하고 있다. KSTAR의 완공이 갖는 의미는 기존의 핵융합장치를 뛰어넘은 세계에서 가장 진보된 형태의 초전도핵융합장치라는 것이다.
전 세계적으로 모든 자석이 초전도로 이루어진 핵융합 장치를 보유한 국가는 중국과 우리나라밖에 없다. 이 가운데서도 우리나라의 KSTAR는 국제핵융합실험로 ITER에 사용될 신소재초전도체를 세계 최초로 개발에 적용한 유일한 장치이다. 이는 국제사회에서 매우 높은 평가를 받고 있으며 이로써 우리나라는 핵융합장치 건설에서 선진국으로 올라섰다는 평가를 받고 있다. 

KSTAR의 모든 핵심 부품을 국내 순수 기술로 제작되었다. 어떤 기술이 사용되었나?
특히 초전도 자석의 설치·제작기술은 세계 최고로 인정받고 있는데?
국가핵융합연구소는 세계 최고 성능의 핵융합용 초전도 도체 제작 기술을 확보하여, ITER에 적용되는 초전도 선재의 20%를 국산품으로 공급하는 쾌거를 이루었다.
또한 ITER에 적용되는 Nb3Sn 초전도 자석 본 제품 제작에 있어 세계 최다 경험을 보유하였으며 세계 최초로 35kA급 저손실형 Brass 전류 인입장치 제작 기술을 확보하였다.
이러한 제작 기술의 국산화 성공으로 100억 규모의 수입 대체 효과를 가져 오기도 했다. KSTAR에 사용된 초대형 진공용기 제작을 통해 세계 최초 3차원 곡면형상의 진공용기 제작 기술 확보와 고효율 반도체형 전원 공급장치 제작 기술도 확보하였다.
특히 IGBT 반도체 소자를 사용한 고효율 전원 공급장치는 고전압/대전류 전원장치로 2007년 산업기술진흥협회로부터 장영실상을 수상하기도 하였다.

KSTAR는 국제핵융합실험로(ITER)와 가장 흡사한 선행모델로
국제적인 관심을 받고 있는데?
KSTAR는 미국, 유럽연합, 일본, 러시아, 인도, 중국, 우리나라가 함께 건설해 2015년 프랑스에서 완공되는 국제핵융합실험로 ITER의 축소판 선행모델로, 앞으로 ITER 운영을 위한 선행 실험과 운전을 하게 된다.
KSTAR에서 나온 다양한 연구결과는 향후 ITER 운영뿐 아니라, 다른 나라의 핵융합로 건설에 중요한 참고자료가 될 것이다. 즉 KSTAR는 세계 핵융합연구의 발전을 위한 기본 장치역할을 하게 되는 중요한 의미를 지니고 있다.
ITER에는 어떤 방식으로 참여하나?
한국은 다른 비유치국과 동일하게 ITER 총건설비의 9.09%(약 4.62억 유로)를 분담하며, 크게 현물조달분과 현금조달분으로 구분된다. 현물조달분(78%)이란 참여국이 각각 할당받은 조달 물량을 자국에서 제작하여 납품하는 비용과 자국 전문 인력 파견비용으로 되어 있다. 현물조달의 경우 향후 핵융합발전을 위한 핵심기술인 진공용기, 초전도자석, 삼중수소 운송·저장, 전력공급계통, 블랑켓 등 총 10개 품목을 국내기술로 제작·공급할 계획이다.
현금조달분(22%)은 건설직접비, ITER 기구가 수행할 R&D비용, 전문 인력 및 지원인력 직접 고용 비용 등으로 구성되어 있다.
한국은 참여지분에 해당하는 9.09%의 ITER 국제기구 직원구성권을 확보하게 된다. 여기에 핵융합기술개발을 위한 기술개발, 관련 산업 기술의 발전뿐만 아니라 고급 전문 인력을 양성할 수 있어, 한국형 핵융합발전소의 개발에 필요한 기술적 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.   

KSTAR 완공과 ITER 사업에 참여하면서 얻을 수 있는
경제적인 효과는?
KSTAR 건설과정에서 얻은 핵융합 장치 제작기술을 통해, 앞으로 ITER를 비롯한 여러 나라의 핵융합 장치 건설시 우리 기술력을 통한 핵융합시장 선점 효과를 거둘 수 있다.
또한 지난 2005년 국가핵융합에너지 개발 기본계획 수립에 관한 연구에 따르면 핵융합 상용화 시대가 되면 극동아시아 지역에 최소 8천억달러의 핵융합발전 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.
이때 상용화 시대에 상업적으로 최적화된 1.5GWe 발전소 건설비용은 약 40억 달러로 추정되고, 극동지역의 발전소 수요는 약 200기가 될 것으로 전망된다. 이 시장만 잡아도 큰 경제적 이득을 거둘 수 있다.

핵융합에너지개발진흥법의 국회 통과로 원천기술을
선점할 수 있는 제도적 장치가 마련되었다고 들었다.
KSTAR 제작 과정에서 관련 법 제정, 정부 부처 협조 등 제도적인 지원이 많이 이루어졌나?
KSTAR 프로젝트는 실제 우리나라에서 보기 드문 대형 장기 프로젝트의 성공으로 볼 수 있다. 특히 핵융합과 같이 장기적인 투자가 필요로 되는 프로젝트는 범 국가적인 정책의 결정이 중요하다. 이에  우리나라는 역시 체계적이고 안정적인 핵융합 에너지개발 지원의 제도적 기반을 마련하기 위해 ‘핵융합에너지 개발진흥법’(법률 제8079호(전문 17조 및 부칙))을 12월 26일에 제정하였다.
또한 2007월 3월26일에는 ‘핵융합에너지 개발진흥법 시행령’이 공포되어 이를 바탕으로 핵융합에너지개발진흥계획을 수립하기도 하였다.

KSTAR가 완공되었지만 방사능 폐기물, 상용화 등을 이유로 회의적으로 바라보는 시각도 있다.
KSTAR에 대한 편견이나 오해는 무엇인가?
흔히 핵이라는 단어 때문에 안전에 대한 우려를 나타낸다. 인터넷에 올라온 네티즌 의견을 보면 종종 ‘폭발하는 것 아니냐’고 걱정하는 분도 있다.
하지만 KSTAR와 같은 핵융합장치는 절대 폭발이나 방사능 누출 사고와는 전혀 상관없이 안전하다. 핵융합 반응은 지속적으로 유지하기가 어렵지 제어가 불가능해지거나 폭발하는 것은 물리적으로 일어날 수가 없는 현상이다. 연료공급이 중단되면 1~2초 내로 운전이 자동 정지되기 때문에 발전소 폭발, 방사능 누출 위험이 전혀 없다.
또한 핵폐기물이 전혀 발생하지 않는 건 아니지만, 원자력발전의 0.04%에 불과한 소량의 방사능에 의한 중·저준위 폐기물만 일부 발생한다. 이 폐기물들은 10년에서 길어도 100년 이내에 모두 재활용이 가능하다. 따라서 원자력발전처럼 장기적인 폐기물 처리시설이 필요하지 않다. 향후 지속적인 저 방사화 연구를 통해 핵융합에너지 상용화 시기에는 방사성 폐기물의 양이 더욱 줄어들 전망이다.

KSTAR의 남은 과제는?
핵융합 발전을 통해 생산된 전기를 실제 우리 생활에 사용하기 위해서는 몇 가지 기술적 난제 해결이 필요하다. 특히 초고온의 플라즈마를 핵융합 장치에 가두고 오랫동안 유지시켜 많은 에너지를 생산할 수 있어야 하는데 KSTAR는 이러한 문제를 해결하기 위한 꼭 필요한 장치이다.
이제 본격적인 가동 준비에 들어가는 KSTAR는 최첨단의 기술로 만든 최신 핵융합장치인 만큼 전 세계의 핵융합 전문가들의 기대를 한 몸에 받고 있다. 에너지 부족국가인 우리나라는 앞으로 KSTAR의 가동을 통해 우수한 성능의 핵융합연구를 함으로써 미래 핵융합 발전 실현에 꼭 필요한 원천기술 확보와 핵융합 전문가 인력 양성에 많은 효과를 얻을 수 있을 것이다.

KSTAR의 향후 계획은?
KSTAR는 향후 핵융합 기초연구 및 핵심기술 개발의 중심장치로, 핵융합연구소에서는 핵융합 기초연구를 통한 선진국 수준의 연구역량을 지속적으로 강화하고 장치운전 및 R&D 전문인력을 양성할 계획이다. 또한 고효율 플라즈마의 장시간 운전기술을 확보하고 블랑켓 등 재료의 특성연구를 수행해 핵융합 발전로 핵심기술을 개발하게 된다.
ITER와 건설단계에서 Pilot 장치로 선행연구를 수행하고, 운영단계에서는 높은 기동성을 활용해 Satellite 역할을 수행할 계획이다. 핵융합연구소는 앞으로 미국, 일본, EU 등 해외의 공동 투자를 적극 유치해 성능향상 등 KSTAR 장치의 효율성을 극대화하고 이를 통해 운영비용을 절감할 예정이다.                                           
정리- 정선진 기자

우리나라 ITER 조달품목 및 참여율

KSTAR 건설과정

KSTAR 상량식