태양에서 생성되는 빛과 열은 초고온 플라즈마 상태의 수소원자핵들이 융합하여 헬륨으로 바뀌는 과정에서 발생하는 핵융합에너지이며, 한국핵융합에너지연구원에서는 태양에서 일어나는 핵융합반응을 지구상에서 실현하기 위해 KSTAR 초전도 토카막 장치를 이용하여 연구를 수행하고 있다.

태양보다 밀도가 낮은 지구에서 핵융합에너지를 사용하기 위해서는 태양 중심 온도의 7배에 달하는 1억 ℃의 플라즈마 온도 조건이 필요하다. 2020년 KSTAR 초전도 토카막장치에서 1억도의 플라즈마를 20초 동안 유지하는데 성공한 것을 기점으로, 2021년에는 1억도의 플라즈마를 30초 동안 유지함으로써, 세계 최초로 초고온 플라즈마 운전 기록을 갱신하였다.

KSTAR 초전도 토카막을 이용한 플라즈마 실험은 100여 명 이상의 연구원들이 참여하여, 진공배기를 시작으로 초전도 자석 냉각 및 장치 시운전까지 두 달 이상의 준비과정이 필요하다. 2008년 세계 최초로 한 번만에 장치 시운전을 완료하고 133 kA, 865 ms의 첫 플라즈마를 시작으로 현재는 초고온 플라즈마 상태를 수십 초 이상 유지하는 실험을 수행하고 있다. 이것은 지난 15년 동안 3만 번 이상의 실험을 수행하면서 얻은 소중한 결과라고 할 수 있다.

이번 KSTAR 특집호에서는 핵융합에너지 개발을 위해 KSTAR에서 이루어지는 다양한 연구 중 15년 동안 획득한 방대한 실험 결과를 바탕으로 인공지능을 접목한 연구분야를 소개하였다.

토카막 내에서 핵융합반응을 지속하기 위해, 다양한 진단에서 측정된 정보를 이용하여 초고온의 플라즈마 형상을 재구성하고 제어하는 과정이 필요하다. 이를 위해, 진단 데이터를 기반으로 획득한 물리변수와 진단 데이터의 기계학습과 강화학습 결과를 비교하여 핵융합 효율을 높이기 위한 연구들이 진행 중이다. 그리고, KSTAR 토카막 내에서 플라즈마가 초고온 상태로 오래 유지될수록 큰 압력 및 온도 차로 인해 불안정한 특성을 가지게 되며, 이로 인한 플라즈마 붕괴는 토카막의 손상을 가져오게 된다. 따라서 KSTAR 플라즈마 경계면 붕괴 실험 데이터를 바탕으로 인공지능 다층 신경망 기계학습 모델을 개발하여, 플라즈마 붕괴 예측 및 불순물 주입을 통한 완화 실험 연구들이 진행되고 있다.

토카막 장치 측면에서, KSTAR 초전도 자석은 초전도 특성, 운전 조건, 입력 전류에 따른 50여 개의 조건과 연관성을 가지며, 초전도자석의 온도가 일정 수준 이상으로 상승하는 경우 초전도 자석이 손상될 뿐 아니라 플라즈마 상태를 유지할 수 없게 된다. 따라서 초전도 자석의 온도에 영향을 미치는 데이터들의 심층 학습을 통하여, 초전도 자석의 온도를 예측하기 위한 연구도 진행되고 있다.

마지막으로, KSTAR 장치 및 플라즈마 전체 시스템에 디지털 트윈 및 메타버스 기술을 접목하여, 플라즈마 형상 모사, 장치 운전, 실험, 시뮬레이션을 위한 첫 연구가 진행 중이다. 디지털 가상 공간에서 핵융합 공학 연구와 물리 연구를 함께 수행할 수 있는 Virtual KSTAR(이하 V-KSTAR)를 소개하면서 이번 특집호를 마무리하였다.

한국을 포함한 7개국(한국, 미국, 유럽연합, 일본, 중국, 러시아, 인도)이 모여 시작한 국제핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)의 건설이 2025년에 완공되고, 2035년 전기 실증의 가능성이 확인된다면, 각 나라에서 에너지 문제를 해결하기 위한 핵융합에너지 개발이 본격화될 것으로 보인다. KSTAR는 초고온 플라즈마의 장시간 운전을 위한 실험 장치로써 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마를 300초 유지하는 것을 목표로 하고 있으며, 이것은 곧 핵융합에너지의 상용화가 가능하다는 것을 의미한다고 볼 수 있다.

KSTAR 연구단은 무한 청정에너지로 불리고 있는 핵융합에너지 개발을 위한 난제를 하나씩 풀어나가고 있으며, 기계학습 및 심층 학습을 통한 토카막 연구는 핵융합에너지 상용화란 미래에 가까이 다가갈 수 있는 새로운 도약이 될 것으로 기대된다. 1997년 핵융합 상용화에 30년이 걸린다고 할 때 우리나라는 핵융합에너지 연구를 할 수 있는 환경조차 주어지지 않았지만, 2007년 전 세계 최초의 Nb₃Sn 초전도 토카막인 KSTAR가 완공되고, 15년 동안 실험과 검증을 거치면서 국내에서 초고온, 고성능 플라즈마 실험이 가능하게 되었다. 급변하는 환경 속에 인류의 에너지 문제를 해결하기 위하여, 핵융합에너지 즉 인공태양의 개발이 현세대에서 이루어지길 기대해 본다.

[객원 책임편집위원 한국핵융합에너지연구원 책임연구원 이현정 (yaeban@kfe.re.kr)]