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  • 사계절의 다채로움을 거울처럼 비추는 스테인리스 외벽은 "건물 내에서 이루어지는 연구 작업의 정밀함"을 상징하게 된다는 것이 ENIA 측의 설명이다.

    ITER 플랫폼에 세워지는 '거울' 건물

    건축가에게는 주변 경관과 최적의 조화를 이루는 ITER 건물을 설계할 수 있는 선택의 폭이 어느 정도나 될까? 2009년 ITER 시설 외부의 건축 사업자로 선정된 ENIA의 시몽 팔루비츠키 파트너는 선택의 폭이 넓지 않다고 답한다. 건물의 형태 변경은 불가능한 작업이[...]

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  • 8개월 동안 총 1만4,000세제곱미터 분량의 콘크리트와 3,600톤 무게의 철근이 투입된 토카막 단지의 "바닥" 시공은 2014년 8월 27일에 완료됐다

    마지막 콘크리트 타설, 그리고 첫 번째 부품 도착

    2014년 여름의 막바지, ITER 건설 과정에서 두 건의 중요한 쾌거가 있었다. 8월 27일에는 토카막 단지가 들어설 지하 구조물 시공을 위한 마지막 콘크리트 타설 작업이 완료됐고, 9월 4일에는 첫 번째 완성 부품이 도착했다. 토카막 단지 내 40만 톤 규모의 건물[...]

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  • 10월 4일 일반인 개방 행사에서 1,300명의 방문객들이 ITER 건설 현장을 찾았다. 나이와 과학기술 지식 수준을 불문하고 방문객들은 ITER 사업의 규모와 도전 과제와 잠재력에 대해 가늠해 볼 기회를 가졌다.

    ITER 현장을 찾은 1,300명의 방문객

    약 7년 전 프랑스 생-폴-레-뒤랑스에 위치한 ITER 플랫폼에서 준비 작업이 시작될 당시, ITER는 인근 도시와 마을 주민들에게 일종의 미스터리처럼 여겨졌다. 이후 ITER 건설 현장은 지금까지 7만여 명(대부분 현지 주민)의 방문객을 맞이했다. 이제 ITER는 더[...]

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  • 800톤의 강철로 제작되고 높이가 6층 건물에 필적하는 한 쌍의 장비를 통해 조립된 9개의 단위섹터는 토카막 지하 바닥으로 옮겨지게 된다.

    ITER 진공용기 단위섹터를 조립할 한 쌍의 거대 장비

    조립동의 문이 열리면 유럽이나 한국의 제조시설에서 선적된 첫 번째 ITER 진공용기 단위섹터를 조립하기 위해 맞춤형으로 제작된 두 개의 거대한 장비를 만나게 된다. 6층 건물 높이에 날개 부분의 길이가 20미터에 달하는 규모를 자랑하며 나란히 서 있게 될 조립장비 두 [...]

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Special issue 3

경제적인 전력 공급을 위한 초전도 기술

토카막 내에서 최적의 핵융합 환경을 조성하려면 뜨거운 가스(플라스마)를 진공용기에 밀폐해야 한다. 이 작업은 거대한 전자석을 통해 생성되는 강력한 자기장이 담당한다.

현재 가동 중인 토카막 중 세계 최대 규모인 JET의 전자석이 소비하는 에너지는 대략 150 MW로, 일반적인 핵발전소가 공급하는 전력의 6분의 1에 해당한다. 이러한 소비량은 단기간의 실험용으로는 용납 가능할지 모르겠지만, 21세기 후반기에 상용화될 예정인 대형 핵융합로에 적용하기에는 경제성이 떨어진다.
ITER의 TF 코일용으로 한국에서 생산된 니오브-주석 '빌릿(billet)'의 횡단면. 지름 1밀리미터 미만인 선재 가닥들이 모여 초전도체를 구성한다. © Peter Ginter (Click to view larger version...)
ITER의 TF 코일용으로 한국에서 생산된 니오브-주석 '빌릿(billet)'의 횡단면. 지름 1밀리미터 미만인 선재 가닥들이 모여 초전도체를 구성한다. © Peter Ginter


경제성 있는 핵융합을 구현하려면 전자석의 에너지 소비량 감소가 절대적으로 필요하다.

전자석의 에너지 소비량은 전기저항, 다시 말해 입자 간의 충돌이라는 개념과 직접적인 관련이 있다. 구리와 같은 전도성 금속에서도 입자 간 충돌로 인해 전기저항이 발생하고 그러한 전기저항으로 인해 열이 발생하는데, 이 열은 외부로 배출시켜야 한다. 아울러 손실된 에너지는 계속해서 보충해야 한다. 전기저항이 발생하지 않는다면 전자석의 에너지 소비량은 '0'이 될 뿐만 아니라 열도 발생하지 않는다는 장점이 있다.

1911년 네덜란드의 입자물리학자인 헤이커 카메를링 오너스는 특정 금속을 매우 낮은 온도로 냉각할 때 전기저항이 사라진다는 사실을 우연히 발견했다.

"초전도 현상(superconductivity)"이라고 불리는 이 발견은 실제로 응용되기까지 수십 년을 기다려야 했다. 1950년대의 이론적 성과와 더불어 재료과학 분야에서 새로운 발견들이 이어지면서 초전도 현상은 의료영상 및 입자물리학 분야를 혁명적으로 변화시키기 시작했고, 핵융합 에너지의 산업화 및 상용화라는 비전을 향해 나아갈 수 있는 길을 열었다.

스텔라레이터에 해당하는 LHD(일본)와 토카막에 해당하는 Tore Supra(프랑스), EAST(중국), KSTAR(한국), SST-1(인도) 등 1980년대 말 이후 건설된 대형 핵융합장치는 모두 초전도 자석이 장착돼 있다. 아울러 당연한 얘기겠지만 W7-X 스텔라레이터(독일), JT-60 SA(일본), ITER 등 현재 진행 중인 프로젝트도 초전도 자석에 의존하게 된다. 기존 장치에 비해 더 많은 전류를 공급하고 더 강력한 자기장을 생성시키면서도 전력 소모가 적기 때문이다.

ITER에서 초전도 시스템을 담당하고 있는 아르노 드브레는 "ITER의 자석을 JET와 마찬가지로 구리로 제작한다면 전력 공급을 위해 800 MW급의 원자로가 필요하고 시스템이 급속하게 가열된다는 단점이 있다"면서, "초전도 기술을 활용하면 자석을 초전도 상태로 냉각시키는 저온 플랜트에 20 MW 정도의 에너지만 공급하면 된다"고 설명한다.
일본 기타큐슈에서는 중심 솔레노이드와 TF 코일에 사용될 니오브-주석 초전도 케이블의 피복 생산 라인이 구축됐다. (Click to view larger version...)
일본 기타큐슈에서는 중심 솔레노이드와 TF 코일에 사용될 니오브-주석 초전도 케이블의 피복 생산 라인이 구축됐다.


ITER 자석의 초전도 선재에 사용되는 니오브-주석 합금 또는 니오브-티타늄 합금은 헬륨이 액체 상태일 때의 온도인 섭씨 -270도 정도(달의 어두운 면보다 낮은 온도)에서 초전도체가 된다.

기존의 초전도 자석 시스템에서는 냉각을 위해 자석을 액체에 담근다. 그러나 ITER의 자석 시스템은 기존 방식을 적용하기에 규모가 너무 크다.(가장 큰 PF 자석은 지름이 24미터이고, TF 자석은 높이가 17미터나 된다.]

이러한 딜레마를 해결하기 위해 1970년대 중반 핵융합 분야의 과학자와 엔지니어들은 새로운 종류의 초전도 케이블을 개발했다. '관내연선(Cable-in-Conduit)' 도체라고 불리는 이 초전도 케이블은 금속 피복으로 둘러싸인 형태이며, 가운데에 난 통로로 액체 헬륨이 강제순환 방식으로 흐르게 된다.

ITER 장치에는 막대한 양의 초전도체가 필요하기 때문에 세계시장은 그러한 수요에 부응하기 위해 활기를 띠고 있다. 니오브-티타늄 선재 가닥의 경우, ITER는 전 세계 연간 생산량의 5분의 1에 해당하는 분량(275톤)을 사용하게 된다. 아울러 니오브-주석 선재 가닥의 전 세계 생산량은 ITER의 수요에 발맞춰 6배 증가했다(약 600톤).

드브레는 "초전도 현상 덕택에 물리학자들은 과학적 지식의 한계와 가능성을 탐구하는 도구들을 개발해 올 수 있었다"고 말한다.

"물리학의 기적"이라고 할 수 있는 초전도 현상이 핵융합 분야에 적용됨으로써, 막대한 전력을 소비하지 않아도 되는 대규모 장치를 건설할 수 있게 됐다. 초전도 현상을 활용하지 못했다면 핵융합 기술은 계속해서 실험실 연구라는 테두리 안에 머물러 있었을 것이다.