인공태양, 핵융합 토카막(Tokamak)

토카막(Tokamak)은 핵융합 반응을 위한 대표적인 장치로, 인공태양을 구현하기 위해 설계된 반응기입니다. 토카막의 작동 방식은 여러 단계로 이루어져 있으며, 이 모든 과정은 플라즈마 상태의 물질을 안정적으로 생성하고 유지하기 위해 설계되었습니다.

토카막 원리

초기 개발 배경

토카막의 개념은 1950년대 초 소련에서 시작되었습니다.  당시 과학자들은 수소폭탄 제조를 위해 삼중수소를 얻는 방법을 연구하고 있었습니다. 이 과정에서 핵융합 반응을 제어하고 에너지를 얻을 수 있는 가능성을 발견하게 되었습니다.

소련에서의 토카막 개발

1956년, 소비에트 연방의 과학자들이 모스크바의 쿠르차토프 연구소에서 토카막 시스템에 관한 실험적 연구를 시작했습니다. 주요 과학자로는 안드레이 사하로프와 이고리 탐이 있었습니다.

- 1958년: 첫 번째 토카막 T-1 실험
- 1964년: T-4 토카막에서 첫 준안정준위의 열핵융합 반응 진행

국제적 인정 및 국제 협력과 발전

1968년, 소련 과학자들이 토카막 내부에서 1000eV가 넘는 전자 온도에 도달했다고 발표했습니다. 이는 당시 서방 과학자들에게 큰 충격을 주었고, 1969년 영국 과학자들의 확인 실험 후 토카막의 우수성이 국제적으로 인정받게 되었습니다.

1970년대 이후, 토카막 연구는 국제적으로 확산되었습니다:
- 1973년: 유럽에서 JET(Joint European Torus) 설계 시작.
- 1980년대 후반: EU, 미국, 일본, 러시아가 초대형 토카막 연구장치 공동 건설에 합의.
 

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)PJT

핵융합 에너지의 과학적, 기술적 실현 가능성을 입증하기 위한 세계 최대 규모의 국제 공동 프로젝트입니다.
 

ITER

프로젝트 개요
- 위치: 프랑스 남부 카다라쉬
- 참여국: 한국, 미국, EU, 일본, 러시아, 중국, 인도 등 7개국
- 목표 완공 시기: 2033-2034년 (첫 플라즈마 생성)
- 예상 비용: 약 100억 유로 (12조 원)

주요 목표
1. 500MW의 핵융합 출력 생산 (400-600초 유지)
2. Q값 10 달성 (투입 에너지의 10배 생산)
3. 핵융합 발전소에 필요한 핵심 기술 실증
4. 삼중수소 증식 개념 시험
5. 연소 플라즈마 상태 실험

기술적 특징
- 토카막(Tokamak) 방식 채택
- 초전도 자석 사용 (-269°C로 냉각)
- 플라즈마 온도 1억 5천만 °C 달성 목표
- 300MW 이상의 전기 입력으로 500MW 열출력 생산 목표

기대효과
1. 미래 청정에너지원 개발
2. 국가 에너지 자립 및 안보 기여
3. 첨단 과학기술 발전 촉진
4. 국제 과학기술 협력 증진

ITER 프로젝트는 핵융합 에너지의 상용화를 위한 중요한 단계로, 성공 시 2050년경 상용 핵융합 발전소 건설을 위한 기반을 마련할 것으로 기대됩니다.
 

한국의 토카막 연구

한국에서는 1995년부터 본격적인 토카막 연구가 시작되었습니다:

- 1979년: 서울대학교에서 SNU79 토카막 개발 (큰 성과는 없었음)
- 2007년: KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 완공

KSTAR

1. 기본 구조와 원리

토카막은 도넛 형태의 진공 챔버를 가지고 있습니다. 이 챔버 내부에서 플라즈마가 생성되고, 이를 통해 핵융합 반응이 일어납니다. 플라즈마는 기체가 고온 상태에서 전자와 이온으로 분리된 상태로, 핵융합 반응의 매개체 역할을 합니다. 토카막의 주요 구조는 다음과 같습니다:

- 도넛형 진공 챔버 : 플라즈마가 방사선이나 다른 외부 물질에 의해 방해받지 않도록 진공 상태를 유지합니다.
- 자기장 시스템 : 도넛 형태의 자기장을 생성하는 토로이드(Toroidal) 자기장과 플라즈마의 안정성을 보장하는 폴로이드(Poloidal) 자기장이 필요합니다. 이들은 초전도 자석을 사용하여 생성됩니다.

2. 플라즈마 형성 및 유지

플라즈마를 생성하기 위해서는 먼저 적절한 연료인 중수소(D)와 삼중수소(T)를 챔버에 주입해야 합니다. 이 연료가 고온 상태로 가열되어 플라즈마가 만들어지면, 토카막 내부에서 다음과 같은 절차가 진행됩니다:

- 플라즈마 가열 : 저항 가열, 고주파 가열 또는 중성 입자 주입 방법 등을 통해 플라즈마의 온도를 1억도 이상으로 증가시킵니다. 이러한 고온 상태에서는 원자핵들이 서로 결합하여 핵융합 반응이 일어날 수 있는 조건이 확보됩니다.
-  자기장으로 플라즈마 안정화 : 생성된 플라즈마는 자기장을 통해 공간에 띄워져 있어야 합니다. 이를 위해 두 가지 자기장(토로이드와 폴로이드)이 결합되어 플라즈마를 안정적으로 가둡니다. 이 과정에서 자기장이 플라즈마를 나선형으로 감싸고 있어, 벽에 닿지 않도록 합니다.

3. 에너지 생성 과정

핵융합 반응이 일어난 후, 중성자가 발생하고 이 중성자는 가열된 블랭킷(Blanket)이라고 하는 구조물에 흡수됩니다. 블랭킷은 중성자의 에너지를 열 에너지로 변환하여 터빈을 돌리는 데 사용됩니다. 이 과정에서 발생하는 전기가 최종적으로 에너지 공급망에 연결되어 전력으로 전환됩니다.

4. 도전 과제 및 연구

토카막의 상용화를 위한 도전 과제가 몇 가지 있습니다. 첫째, 플라즈마가 안정적으로 유지되어야 하는데, 자기장이 불안정해지면 플라즈마가 벗어나거나 소실될 수 있습니다. 둘째, 플라즈마에서 발생하는 에너지를 효율적으로 유지하고 손실을 최소화해야 합니다. 셋째, 초고온 플라즈마의 벽 재료가 열과 중성자에 의해 파괴되지 않도록 하는 것도 중요한 기술적 과제입니다.

최근 한국 연구진이 조사한 바에 따르면, 토카막의 시동 과정에서 발생하는 ‘폭주 전자’의 형성 원리를 규명했습니다. 폭주 전자는 강한 전기장으로 가속되는 전자로, 이는 플라즈마 형성을 방해할 수 있습니다. 이러한 연구는 국외의 ITER 프로젝트와 더불어 토카막의 성능 향상과 안전성을 담보하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

따라서, 토카막은 아직 개발 중인 기술이지만, 미래의 에너지 공급을 위한 유망한 해결책으로 자리잡을 가능성이 큽니다. 이를 지속적으로 연구하고 개선하여 상용화할 수 있다면, 청정하고 안전한 에너지 생산이 이루어질 것입니다.