Nuclear fusion entering 2.0 Era: From fundamental research to technology development

December 13, 2018


Matteo Barbarino, Sehila M. Gonzalez de Vicente and Danas Ridikas from the International Atomic Energy Agency (IAEA) comment on nuclear fusion R&D


International Thermonuclear Experimental Reactor/iter.org

프랑스 카다라슈에 건설 중에 국제핵융합실험로. 원통 모양이 토카막이 들어가는 건물이다. [사진 ITER]




 

한국기술 참여하는 ‘인공 태양’ 국제핵융합실험로 건설 6부능선 넘어


  ‘꿈의 미래 에너지’라 불리는 핵융합 발전을 위한 국제핵융합실험로(ITER)의 총 공사가 6부 능선을 넘어섰다. 중국과 미국 등 강대국들은 관련 기술 개발을 서두르는 등 잰걸음에 나서고 있다. 

  

내년부터 토카막 제작·조립 단계

소극적이던 미국도 시찰 후 ‘경탄’

한국, 지분만큼 인력 더 파견해야


국제핵융합실험로(ITER) 국제기구와 한국의 국가핵융합연구소는 프랑스 남부 카다라슈에 건설 중인 ITER의 총 공사 진척도가 지난 20일 기준으로 60%를 넘어섰으며, 핵융합 발전 핵심 시설인 토카막 건물 공정으로만 보면 70%를 돌파했다고 27일 밝혔다. 토카막은 핵융합이 일어날 수 있도록 중수소·삼중수소와 같은 핵융합 연료 기체를 섭씨 1억 도의 플라즈마 상태로 만들고 담아두는 핵심 시설이다. 

  

프랑스 현지에서 ITER 사무차장을 맡고 있는 이경수 박사는 이날 중앙일보와 통화에서 “토카막이 들어가기 위한 건물의 주요 공사를 마친 상태”라며 “내년부터는 토카막 진공 용기와 초전도 자석을 제작·조립하는 단계에 들어선다”고 말했다. ITER 국제기구에 따르면 2023년까지 토카막 조립 공사를, 2024년에는 전기선과 파이프 등의 연결 공사를 끝낼 계획이다. 한국은 110여 개 국내 기업이 토카막 진공 용기 등 10개 주요 장치 제작에 참여하고 있다.  




핵융합발전은 수소 핵융합 과정에서 나오는 열에너지로 전기를 생산하는 방식이다. 태양과 같은 원리로 이뤄지기 때문에‘인공태양’이라 불린다. 또 우주의 80%를 차지하는 수소를 에너지원으로 하고, 핵분열을 이용하는 원자력발전과 달리 폭발이나 방사능 위험이 거의 없기 때문에 ‘무한 청정 미래 에너지’로도 불리고 있다. 


  

ITER는 이 같은 핵융합발전을 실현하기 위해 2007년부터 한국과 미국·중국·일본·러시아·EU·인도 등 7개국이 힘을 합쳐 만들고 있는 일종의 실험로다.  ITER국제기구는 2025년 첫 플라즈마 가동, 2035년 열출력 500㎿에 달하는 핵융합로 풀가동을 시작할 예정이다. 이후에는 회원국들이 ITER 실험을 통해 얻은 기술력을 토대로 각국별로 상업 핵융합로를 만들어 2050년대부터 전력을 생산·공급하는 것을 목표로 삼고 있다. ITER는 2013년 공사를 착수했으며 2016년부터 본격적으로 건설이 진행됐다. 



  

공사 진척도가 빨라지면서 그간 분납금을 미루는 등 소극적인 모습을 보이던 미국도 적극적인 모습을 보이고 있다. 이 사무차장은 “지난 10월부터 미국 에너지부 장·차관이 연이어 프랑스 ITER 공사 현장을 찾았다”며 “토카막이 들어갈 본건물을 직접 보고 공사 진척률에 대해 브리핑을 받은 미국 관료들이 경탄해 마지 않았다”고 전했다. 중국은 7개국 ITER 회원국 중 가장 빠른 행보를 보이고 있다. 중국과학원 산하 플라즈마물리학연구소는 지난달 자체 제작한 핵융합 실험로로 세계 최초로 플라즈마 1억 도에 도달했다. 


ITER 국제기구에는 한국형 핵융합장치(K-STAR) 건설을 주도한 이경수 박사가 ITER의 2인자인 건설·기술 담당 사무차장으로 있으며, 국가핵융합연구소 부소장을 지낸 오영국 박사도 ITER 장치운영부장으로 근무하는 등 총 32명의 한국인이 활약하고 있다. 하지만 한국은 ITER 기여도만큼 인력파견을 하지 못하고 있는 실정이다. ITER에 매년 전체 예산의 9%에 해당하는 500억원을 내고도 파견 인력은 4%에도 못 미친다. 

  

정기정 ITER 한국사업단장은 “우리나라에는 ITER와 원리가 똑같은 K-STAR가 있어 많은 관심을 가지고 있다”며 “ITER는 건설로 끝나는 게 아니고 운영을 해야 해서 한국에서 더 많은 연구자가 오기를 바라고 있다”고 말했다. 정 단장은 또 “우리도 ITER에 가능한 많은 전문인력을 파견해 경험을 쌓아야 이후 본격적으로 핵융합발전소를 지을 때 기술인력을 제대로 확보할 수 있게 된다”고 덧붙였다. 

최준호 기자 joonho@joongang.co.kr 중앙일보


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Taking advantage of Aston’s experiments and Einstein’s theory (E=mc2), Eddington first recognised the potential of nuclear fusion as an energy source. In his Presidential Address to the British Association at Cardiff in 1920(1), he inferred: “A star is drawing on some vast reservoir of energy by means unknown to us. We sometimes dream that man will one day learn how to release it and use it for his service. The store is well-nigh inexhaustible, if only it could be tapped.”


The race for fusion power had begun. By the mid-1930s, fusion was demonstrated in the lab(2), and by the mid-1950s experimental fusion reactors were operating in the former Soviet Union, the U.S., Europe, and Japan.


In 1958, at the Second United Nations Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, the results of controlled nuclear fusion research were first disclosed to the world at large(3), and fusion energy became the dream of a virtually inexhaustible, safe, environmentally-friendly and universally-available energy source, capable of meeting global energy demands. But soon, it became evident that a better understanding of fundamental phenomena was needed before the goal of energy extraction from nuclear fusion could be reached; and the fact that such research is very complex and costly, enhanced the need for international cooperation, exchange of information and experience among all stakeholders engaged in this field of nuclear science and technology.


In this spirit, a combination of significant technical progress and successful international collaboration in magnetic fusion research resulted, in 1988, in commitments to cooperate, under the auspices of the International Atomic Energy Agency (IAEA), in the conceptual design and supporting R&D for an International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).




During the last 30 years, international R&D activities in the field of fusion have made tremendous progress and have led to a new stage, characterised by the transition from studying high temperature plasma physics infusion devices, which provides plasma parameters below breakeven condition (i.e. Q<1, where Q is the ratio between the fusion power and the power injected in the plasma to drive the burn) and rather limited neutron production, to the design and manufacturing of technologies, (such as superconducting magnets, vacuum vessel and in-vessel components, cryostats, heating and diagnostics, and remote handling and maintenance systems) essential for a fusion reactor like ITER(4), intended for steady-state operation (i.e. Q>5) and capable of generating sufficient neutron fluxes comparable or even more intense than in existing nuclear power plants.


The first prototype of the inner vertical target of the ITER divertor was produced in Europe on May 2018


 

UKAEA’s centre for Remote Applications in Challenging Environments (RACE) is designing and planning mockup trials for ITER’s remote handling systems




Today, both governmental and private organisations(5) are actively involved in the process of prototyping and eventual commercialisation of nuclear fusion energy. R&D priorities are moving towards nuclear technology for fusion energy and industrial applications, including components design, manufacturing and testing, as well as diverse neutron applications(6). One of the clear measures of this transition is the substantial growth (+700%) of research papers presented at the Fusion Energy Conference in the field of fusion technology since the beginning of the ITER Conceptual Design Activities in 1988, which is only partially a reflection of the increasing (+300%) overall number of papers presented at the conference during the last three decades (7).


The first ITER toroidal field coil winding pack was cold tested at 80K on May 2018


The first segment of the ITER vacuum vessel was completed in South Korea on December 2017




ITER and the next step fusion devices (e.g. JT-60SA under construction in Japan, CFTER in China and K-DEMO in South Korea in the design stages) present significant advances, which are seeing nuclear fusion entering the 2.0 Era, that will provide the databases in science and technology necessary for the design and construction of a demonstration fusion power plant (DEMO).


Meanwhile, individual countries are already exploring designs for such a DEMO reactor(8) that would build on the experience from ITER, and from the other ongoing international collaborations or domestic baseline programmes, to show that controlled nuclear fusion can generate net electrical power, tritium fuel self-sufficiency, reliable, safe and secure operating regimes, and mark the final step before the construction of a commercial fusion power plant.


The IAEA has played a key role for ITER’s creation and its endeavours, and continues to cooperate with the ITER Organization based on the IAEA-ITER Cooperation Agreement, playing an important bridging function between the 35 ITER members and the other IAEA Member States through its periodic series of fusion energy conferences, workshops and technical meetings, coordinated research projects, and publishing the leading scientific journal in the field, Nuclear Fusion. The IAEA also acts as a central hub among its Member States developing programme plans and initiating new R&D activities leading to various concepts of a DEMO through the (DEMO) Programme Workshop(8).




With the progress and experience of ITER under construction, attention is being paid to important areas, such as nuclear engineering, safety and radiological protection, as well as security, and the  IAEA is taking steps to support these efforts (9).




 Artwork of a DEMO


Big strides in understanding fusion energy science have been made. But more efforts with increased global collaboration and coordinated research are required to make nuclear fusion energy production a reality. The IAEA continues to be at the forefront of these international efforts, and there is sufficient evidence to expect further developments of domestic and international activities in the nuclear fusion field in the coming years.

https://www.openaccessgovernment.org/nuclear-fusion-entering-2-0-era/55690





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Posted by engi, conpaper Engi-

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