KSTAR(한국형 핵융합로) 올해 실험 시작…‘텅스텐’ 난제 푼다
대한민국이 핵융합 에너지 상용화로 나아가기 위한 중요한 전환점을 맞이했습니다. 핵융합 연구의 선두에 선 KSTAR가 2025년 플라스마 실험을 공식적으로 개시했다는 소식이 발표되었기 때문입니다. 특히 이번 실험의 핵심 과제는 ‘텅스텐(W) 내벽 소재 하에서의 안정적 플라스마 운전’이며, 이는 기존 탄소 기반 내벽에서 발생했던 수명을 제한하는 문제와 불순물 혼입 문제를 해결하기 위한 기술적 돌파구로 주목받고 있습니다.
1. KSTAR란 무엇인가?
KSTAR는 ‘Korea Superconducting Tokamak Advanced Research’의 약자로, 대한민국 한국핵융합에너지연구원(KFE)이 운영하는 초전도 토카막 핵융합 실험장치입니다.
다음은 KSTAR의 주요 특징입니다:
- 위치: 대전광역시, 대한민국
- 설계 목적: 100 백만 ℃(1억 ℃) 이상 초고온 플라스마를 생성하고 지속 운전하여, 향후 핵융합 상용화 단계를 준비하는 플랫폼
- 주요 실적: 과거 1억℃급 플라스마 운전에 성공했고, 최근에는 48초 연속 운전 기록이 나왔습니다.
- 기술 업그레이드: 특히 이번 ‘텅스텐 디버터’ 설치는 장시간 운전 및 고성능 플라스마 운영을 위한 핵심 장치 개선입니다.
이처럼 KSTAR는 단순한 실험 장치가 아니라, 대한민국이 글로벌 핵융합 연구·기술 경쟁에서 선두권으로 나아가기 위한 ‘국가 전략 프로젝트’라 할 수 있습니다.
2. 왜 ‘텅스텐 디버터’인가?
핵융합로 내부에서 플라스마는 수소 혹은 중수소·삼중수소 등을 초고온 상태로 유지하며 핵융합 반응을 일으키게 됩니다. 이 과정에서 플라스마는 초고온이기 때문에 내부에 노출된 벽(내벽) 소재는 극한 환경을 견뎌야 합니다. 이때 사용된 소재가 바로 ‘텅스텐(W)’입니다.
이유는 다음과 같습니다:
- 텅스텐은 금속 중 가장 높은 녹는점(약 3,422 ℃)을 가진 소재로, 초고온 플라스마에 노출되는 내벽 소재로 적합합니다.
- 기존에는 탄소(C)나 그래파이트 등의 소재가 사용되었지만, 장시간 고온 운전 시 열·입자 부하가 커지면서 내구성 한계에 봉착했고 불순물(예: 탄소 입자) 유입 문제가 있었습니다.
- 텅스텐 디버터 설치 이후, KSTAR는 장시간 운전 가능성 및 내벽 수명 연장 측면에서 기술적 진전을 이루었습니다.
- 다만 텅스텐이 갖는 난제도 존재합니다. 플라스마 환경에서 텅스텐이 입자 형태로 유출되면 플라스마 성능이 떨어지고, 안전성 확보도 더욱 까다로워집니다. 이는 핵융합로 전체의 운전 안정성에 직결되는 문제입니다.
즉, 텅스텐 디버터는 핵융합로의 ‘고성능 & 장시간 운전’을 위한 필수 변화이며, 이를 통해 KSTAR는 한 차원 더 높은 운전 조건으로 나아갈 준비를 하고 있습니다.
3. 올해 실험 개시 및 주요 과제
2025년은 KSTAR에게 매우 의미 있는 해입니다. 핵융합연은 “2025년 KSTAR 플라스마 실험을 시작한다”고 공식 발표했습니다.
기사는 특히 다음과 같은 사항들을 강조합니다:
- 텅스텐 내벽 환경 하에서 안정적으로 플라스마를 운전할 수 있는 고성능 플라스마 운전 시나리오를 개발할 계획이라는 것.
- 가열 장치, 연료 주입 방식, 플라스마 제어 기술 등을 여러 운전 조건에서 적용하고, 텅스텐 불순물의 움직임을 정밀 분석하여 효과적인 억제 방안을 찾는다는 것.
- 특히 인공지능(AI)를 활용한 실시간 제어 기술을 도입해, 플라스마 내부 변화에 신속히 대응할 수 있는 시스템을 검토 중이라는 내용.
이런 맥락에서 보면, 2025년의 실험은 단순한 운전 시간이 늘어나는 수준이 아니라, 핵융합로 운영의 신(新)모델을 검증하는 단계로 볼 수 있습니다. 예컨대 장시간 운전, 고밀도 플라스마 상태 유지, 내벽 소재와 플라스마 상호작용 제어 등이 모두 포함됩니다.
또한 “내년까지 연속 실험 … 내벽 전면을 텅스텐 타일로 교체할 계획”이라는 보도도 언급되어 있어, 2025-2026년은 KSTAR가 상용화 전 단계 실증 장비로 전환해 가는 변곡점이 될 가능성이 큽니다.
4. 대한민국 기술발전 및 글로벌 위상
KSTAR를 통해 대한민국이 얻을 수 있는 기술적·경제적 의미는 매우 크며, 글로벌 핵융합 기술 경쟁에서의 위상도 한층 강화될 전망입니다.
(1) 기술적 의미
- 텅스텐 내벽 하에서 플라스마를 안정 운전하는 기술이 확보된다면, 향후 세계 표준이 될 핵융합로(예: ITER, DEMO) 설계에 직결된 핵심 기술을 갖추게 됩니다.
- 장시간 플라스마 운전(예: 수백초 이상)을 위한 기반기술이 확보되면, 에너지 생산 가능성에 한층 가까워질 수 있습니다. 이는 국내 연구 생태계, 장비 산업, 소재 산업 등에 파급효과를 미칩니다.
(2) 글로벌 경쟁력 및 협력
- 핵융합 기술은 지금 ‘상용화 경쟁’ 단계에 진입해가고 있습니다. 국내 KSTAR가 기술적 진전을 이뤄감으로써 국내 기업 및 연구기관이 글로벌 공급망에 진입할 기회가 커지고 있습니다.
- 또한, 국제공동연구 참여 및 기술수출 가능성도 높아지며, 대한민국이 ‘핵융합 강국’ 이미지 확보에 유리해집니다.
- 텅스텐 디버터 관련 기술, AI 기반 실시간 제어 기술 등은 향후 발주될 핵융합 장치에 적용가능성이 있는 핵심 트렌드로 자리잡고 있습니다.
(3) 경제·사회 파급력
- 장기적으로 핵융합이 상용화된다면, 청정에너지 전환, 탄소중립 정책 실행 등에 큰 기여가 가능합니다. KSTAR 실험이 성공적이라면 대한민국이 미래형 에너지 기술 선도국으로 자리매김할 수 있습니다.
- 연구혁신 → 장비산업 → 소재산업 → 에너지산업으로 이어지는 기술 사슬이 구축될 수 있다는 기대감이 점차 커지고 있습니다.
5. 앞으로의 전망 및 도전 과제
KSTAR 실험이 가져올 변화는 많지만, 여전히 해결해야 할 과제들도 존재합니다. 현실적 시나리오와 함께 앞으로의 방향을 살펴보겠습니다.
전망
- 향후 수년 내에 플라스마 운전 시간 연장, 가열·유지·지속 운전 기술 확보가 기대됩니다. 예컨대 KSTAR는 2026년까지 300초(5분) 이상의 운전을 목표로 한다는 연구도 나와 있습니다.
- 이를 바탕으로, 대한민국은 DEMO(상용화 전 증명로) 설계 착수 단계로 넘어갈 수 있으며 핵융합 실증로 건설을 위한 준비가 가속화될 것입니다.
- 산업 측면에서는 텅스텐 내벽 소재, 초전도 자석, 플라스마 진단 장비, AI 제어 시스템 등이 핵융합 산업 생태계로 성장할 수 있는 기회를 맞이하게 됩니다.
도전 과제
- 텅스텐 내벽 하에서 불순물 제어 문제는 여전히 남아있습니다. 플라스마 내로 텅스텐이 유입되면 플라스마 성능이 저하되고, 안전성 확보도 더욱 까다로워집니다. 이는 핵융합로 전체의 운전 안정성에 직결되는 문제입니다.
- 플라스마 유지 시간만이 아니라, 그 동안의 출력·효율·자체 연료 순환·방사선 제어 등 여러 기술이 동시에 확보돼야 합니다. 하나의 지표가 해결된다고 해서 전체 문제가 해결되는 것은 아닙니다.
- 상용화 단계로 나아가기 위해선 경제성이 확보돼야 합니다. 즉, 핵융합발전소 건설비용, 유지비용, 설비 신뢰성 등이 실용 수준으로 낮아져야 합니다.
- 국제 경쟁 또한 치열합니다. 미국, 유럽, 중국 등 여러 국가가 핵융합 상용화를 적극 추진하고 있어 대한민국도 속도와 효율 면에서 지속적으로 경쟁력을 유지해야 합니다.
우리나라 국민에게 시사하는 메시지
핵융합로 KSTAR의 이번 실험 개시는 단순히 연구실 성과를 넘어서 대한민국의 미래 에너지 패러다임에 하나의 “잠재적 전환점”이 될 수 있는 이벤트입니다.
여러분께 드리고 싶은 메시지는 다음과 같습니다:
1. 기술의 미래는 지금 실험에서 만들어지고 있다.
2. 국내 산업 기회가 열린다.
3. 상용화까지는 아직 거리가 있다.
4. 환경·정책 측면에서의 중요성.
5. 성공 가능성보다 가능성에 투자하라.
결론
KSTAR의 2025년 플라스마 실험 개시는 대한민국이 **핵융합 에너지 상용화 시대**로 진입하기 위한 중요한 발걸음입니다. 텅스텐 내벽이라는 핵심 기술 난제를 정면 돌파하고, 고성능·장시간 플라스마 운전을 현실화함으로써 기술적 위상을 높이고 산업적 파급력을 키울 수 있습니다.
그러나 그 여정은 아직 끝나지 않았습니다. 연구는 계속돼야 하고, 상용화까지 넘어야 할 산도 많습니다. 우리가 지금 목격하고 있는 것은 ‘가능성의 문이 조금 열리고 있는 순간’입니다. 앞으로 수년간 얼마나 빠르게 문을 더 넓히고, 현실로 연결시켜 나가는가가 핵융합 시대의 흐름을 결정할 것입니다.
핵융합이 현실이 되는 그날까지, KSTAR는 대한민국의 에너지 미래를 비추는 ‘인공태양’으로서의 역할을 충실히 수행해 나갈 것입니다.