국제열핵융합실험로와 초전도 자석은 무엇일까

국제핵융합실험로(ITER) 초전도자석 공급장치 납품으로 핵융합에너지 실현의 공동목표를 위해 참여도 높은 한국은 어떤일을 할까요.

국제열핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)가 무엇하며, 그중 초전도 전자석은 무엇인지 알아봅시다.

국제열핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)는 국제 토카막 실험로로, 프랑스에 건설 예정이며, 완전한 규모의 핵융합 발전의 과학적이며 기술적인 가능성을 보여주기 위해서 설계되었다. 

ITER는 TFTR, JET, JT-60 및 T-15 등의 실험에서 얻은 결과에 기반하여 설계되며, 훨씬 더 큰 규모이다.
 
이 계획은 30년을 지속할 것으로 예상되며, 초반 10년은 건설에, 20년을 가동에 쓸 예정이다.

예산은 대략 100억 유로(12조 원) 정도로 예상된다.
 
수 년간의 심사 끝에, ITER는 프랑스의 카다라쉬(Cadarache)에 건설 될 것으로 2005년 6월 발표되었다.

1985년 미국 로널드 레이건 대통령과 소련 미하일 고르바초프 대통령이 정상회담에서 핵융합 연구개발 추진에 관한 공동성명을 채택하여, 1988년에 ITER이 공식 출범했다. 

초기 참여국가는 미국, 러시아, 유럽연합, 일본이다. 한국과 중국이 2003년, 인도가 2005년에 참여하여 7개국이 ITER를 건설중이다.

ITER 토카막 건설은 2013년에 시작되었다.
 
2015년 6월 기준으로, 140억 달러의 건설비가 들었다.

2025년에 ITER이 완공되고 발전을 시작할 계획이다.

완전한 핵융합 발전은 2035년에 시작할 계획이다.

핵융합을 연구하는 과학자들은 적어도 Q(에너지 증폭률, 이득계수)>10 정도는 되어야 실제 사용이 가능할 정도로 보고 있으며 화력, 원자력 발전 등을 완전히 대체하기 위해서는 Q=22 정도를 달성해야 한다. 

그러나 현재 수준은 Q=1.25 정도에 불과하다. 

그래서 ITER 프로젝트는 Q>10수준으로 핵융합 발전의 가능성을 확인하는 것을 목표로 하고 있다.
 


참여국

한국의 국제열핵융합실험로 ITER 사업의 목표는 2040년대에 상용 핵융합 발전소 건설을 위한 원천기술을 확보하여 대용량의 친환경적 에너지원 확보로 국가 에너지 자립 및 에너지 안보에 기여하는 것이다.

또한 한국은 국제열핵융합실험로 ITER 사업의 기본 방향에 대해서 다음과 같이 기본적인 방향을 설정하고 있다.

(한국에 할당된 10개 조달품목(초전도 도체, 진공용기 본체 및 포트, 조립장비류, 전원공급장치, 블랑켓 차폐블록, 열차폐체, 진단장치, 삼중수소 저장 및 공급 장치, IVC 버스바)를 적기에 제작하고 조달한다.

ITER 기구 운영 참여 및 인력파견을 통하여 전문인력을 양성한다. 

핵융합 상용화 및 운전기술 확보를 위한 핵심기술을 연구하고 개발한다. 조달품목의 효율적 적기 조달을 위한 종합사업관리를 실시한다.)

ITER에서 사용하는 초전도선재는 Nb3Sn으로 KSTAR와 같은 초전도선재를 사용한다. 

전체적인 규모가 1/25의 차이가 나긴 하지만, KSTAR도 ITER와 마찬가지로 토카막 초전도 전자석 핵융합 실험로이기 때문에 KSTAR의 데이터는 ITER에도 그대로 반영될 수 있다. 

이 때문에 ITER 사업에서 한국의 기술적인 기여도는 상당히 높은 편이며 KSTAR에 적용되는 기술과 먼저 운영하면서 나온 데이터를 피드백하여 ITER에도 반영하고 있다. 

초전도선재를 Nb3Sn을 선택한것도 KSTAR에서 최초로 증명된것을 반영한것으로 플라즈마 제어코일을 진공용기 내부에 설치한 것도 KSTAR에서의 설계 피드백을 적용시킨것이다.

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초전도 전자석

초전도 자석 또는 초전도전자석(超傳導磁石)은 초전도 선으로 감은 코일을 사용하여 만들어진 전자석이다.

초전도 자석은 구리선 등을 사용한 일반 전자석에 비해 여러 가지 이점을 지닌다. 영구전류모드를 사용하면 더 안정적인 자기장을 얻을 수 있다. 

초전도 선은 구리선에 비해 같은 단면적에 백배 정도의 전류를 흘릴 수 있기 때문에 초전도 자석은 일반 전자석에 비해 더 작아질 수 있다. 

또한 저항손실이 없기 때문에 적은 전력을 소모한다. 

큰 자기장을 얻기 위해서는 일반 전자석 안에 초전도 자석을 삽입한 형태의 복합 자석 형태로 만들기도 한다.

초전도물질을 코일의 전선으로 쓰는 전자석이다. 핵융합로, 가속기, 초전도 회전기, 의료기기 등 많은 분야에서 이용된다. 

액체 헬륨으로 냉각시킨 코일 전선은 초전도 상태가 되며, 전류가 흘러도 열이 생기지 않는다.

따라서 계속해서 전류를 보내 자장을 얻을 수 있다. 
초전도자석 자체는 전력 소비가 거의 없으나 매우 낮은 환경을 조성하고 유지하기 위해서는 냉동용 전력이 따로 필요하다.