‘핵융합발전소 설계 착수’… 한국형 핵융합로 개발 ‘시동’

한국이 핵융합 연구장치 운영 국가를 넘어 핵융합발전소 설계 국가로 도약하기 위한 첫 발을 내디뎠다.

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합연)은 17일 본원에서 ‘한국형 혁신 핵융합로 설계기술 개발과제 착수회의’를 개최했다.

그동안 국내 핵융합 연구는 초전도 핵융합장치 KSTAR를 중심으로 플라즈마를 얼마나 오래, 안정적으로 유지할 수 있는지에 집중했다.

국제핵융합실험로(ITER) 사업 참여 역시 핵융합 반응 구현 기술 확보가 목표였다.

이번 사업은 과학기술정보통신부 핵융합 플러그인 프로그램의 지원을 받아 2030년까지 핵융합연이 총괄하고 인애이블퓨전, 서울대가 참여한다.

목표는 실제 핵융합발전소 건설에 필요한 설계 체계를 만드는 것이다.

핵융합로는 플라즈마를 가두는 초전도 자석과 진공용기, 연료를 공급하는 장치, 플라즈마를 진단·제어하는 시스템, 초고온 열을 견디는 내벽부품 등 수많은 장비가 유기적으로 연결된 초대형 시스템이다.

이 중 한 부분만 바꿔도 전체 설계를 다시 검토해야 한다.

예를 들어 초전도 자석의 크기를 줄이면 장치 전체는 소형화할 수 있지만 플라즈마 안정성이 영향을 받을 수 있다.

반대로 플라즈마 성능을 높이기 위해 자석 성능을 강화하면 진공용기 구조와 냉각 설비, 유지보수 체계까지 변경해야 한다.

이 때문에 핵융합로 설계는 수천 개의 부품과 수백 개의 설계 조건이 동시에 얽혀 있는 가장 복잡한 공학시스템 중 하나로 꼽힌다.

연구진은 이런 난제를 해결하기 위해 ‘가상 핵융합로’ 개념을 도입한다.

가상 핵융합로는 실제 장치를 만들기 전 컴퓨터로 핵융합로 전체를 그대로 구현하는 디지털 설계 플랫폼이다.

설계자가 자석 위치나 진공용기 구조를 변경하면 다른 계통에 어떤 영향이 발생하는지 즉시 확인할 수 있다.

특히 인공지능(AI) 기반 설계 기술도 적용해 플라즈마 성능과 자석 세기, 열부하, 안전성, 유지보수성, 건설비용 등 방대한 설계 변수를 동시에 분석해 최적 조합을 탐색한다.

연구진은 이를 활용해 소형이면서도 고성능을 갖춘 한국형 혁신 핵융합로 개념을 도출할 계획이다.

특히 주반경 4m 이하 고온초전도 기반 토카막이 핵심 목표다.

장치 규모를 줄이면서도 연소 플라즈마 운전이 가능하도록 설계하고, 장기적으로는 약 300MW의 핵융합 출력과 100MWe 규모 전력 생산 능력을 목표로 한다.

또 핵융합 연료인 삼중수소를 자체 생산하고 재활용하는 폐쇄형 연료순환 체계까지 설계 범위에 포함했다.

이는 미래 핵융합발전소의 경제성과 지속 운전을 좌우하는 핵심 요소다.

연구는 올해 설계 요건과 계통 간 인터페이스를 정의하는 단계부터 시작한다.
이후 노심 운전 시나리오, 초전도자석, 진공용기, 내벽부품, 진단·제어 시스템 등의 개념 설계를 진행하고, 이어 물리설계와 공학설계를 통합해 한국형 혁신 핵융합로의 기본 구조를 완성할 예정이다.

양형열 혁신핵융합로설계단장은 “이번 사업은 개별 장치 기술을 넘어 한국형 핵융합로 전체 구조를 처음 설계하는 단계"라며 ”향후 독자 핵융합 실증로 개발을 위한 기술적 토대를 마련하는 의미가 있다"고 설명했다.

이재형 기자 jh@kukinews.com