KSTAR 토카막 장치 진공 기술 현황 · 2017. 7. 20. · high temperature baking operation, a discharge cleaning process and boronization. 김광표 저자는

진공기술과 첨단과학


진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 03 March16

1. 서론

2014년 초 전세계 인구가 70억 명을 돌파했다. 21세기

말에는 110억 명에 도달할 것으로 예상 한다. 전세계 인

구수의 급격한 증가로 에너지 수요 또한 급격하게 증가하

고 있다. 하지만 현재 널리 사용되는 화석 연료는 자원이

한정돼 있을 뿐만 아니라 지구 온난화의 주범인 온실 가

스를 배출하는 치명적인 약점을 갖고 있다. 지난 2016년

11월 4일 온실가스 감축을 위한 파리기후변화협약이 발효

되면서 지구촌은 신기후체제에 본격적으로 돌입했다. 온

실 가스 감축이라는 목표 달성을 위해 온실가스를 배출하

지 않는 친환경 에너지에 대한 관심이 증대하고 있으며,

대체 및 신재생 에너지에 대한 관심 또한 커져 가고 있다.

태양광·열, 풍력 등 신재생 에너지가 주목받고 있지만 전

력 생산량이 적고 제한된 환경 조건에서만 운용할 수 있

다는 점은 이들이 갖고 있는 한계이다.

새로운 궁극의 에너지원으로 우리는 ‘핵융합 에너지’에

주목할 필요가 있다. 핵융합이란 간단히 말해 태양에서

빛과 열 에너지를 만들어내는 원리라고 할 수 있다. 태양

에서는 중심부의 고온과 고압 환경으로 인해 태양을 구성

하고 있는 수소 원자핵들이 서로 ‘융합’하는 현상이 일어

나며, 이 때 발생하는 질량 결손이 에너지의 형태로 방출

된다. 핵융합 에너지는 이처럼 태양이 에너지를 만들어

내는 ‘핵융합’ 반응을 인공적으로 지구상에 구현하여 에너

지를 만드는 방식이다. 이 과정에서 핵융합 에너지는 이

산화탄소 등 온실가스를 발생시키지 않는다. 뿐만 아니라

핵융합 에너지 발생에 쓰이는 원료인 중수소는 바닷물에

서 무한정 추출할 수 있어 자원 고갈의 위험이 없다. 또한

원자력 발전의 0.04%에 불과한 중저준위 방사성 물질만

을 발생할 뿐이어서 상대적으로 원자력 에너지에 비해 안

전하다 [1].

KSTAR 토카막 장치 진공 기술 현황

김광표, 김현석

Status of vacuum technique in KSTAR

Kwang-Pyo Kim and Hyun-Seok Kim

Recently, KSTAR, Korea's superconducting fusion energy

research and development device, has succeeded in driving the

high performance plasma for 70 seconds for the first time in the

world. Continuous plasma operation technology is an essential

factor for commercialization of fusion energy power generation.

Therefore, this achievement is expected to play a major role in the

research of fusion technology required for future fusion power

plants. In order to operate the KSTAR, the discharge process in

which the neutral gas is turned into the plasma should be preceded

in the start-up (breakdown) phase of tokamak operation. This

process essentially involves the vacuum environment in the tokamak

device. KSTAR has successfully operated a vacuum pumping system

to achieve the target level of the vacuum environment through a

high temperature baking operation, a discharge cleaning process

and boronization.

<저자 약력>

■ 김광표 저자는 2005년 한밭대학교에서 기계설계공학을 전공으로 석사학위를 받았으며, 2001년부터 KSTAR Project에 참여하고 있다. 2005년

핵융합연구소 우수직원 표창과 2009년에는 교육과학기술부 장관 표창을 받았다. 2006년 국가핵융합연구소 임용, 2016년 국가핵융합연구소

KSTAR 연구센터 제어기술연구부 KSTAR운전연구팀장으로 재직 중이다.

■ 김현석 저자는 2015년 서울대학교 대학원 에너지 시스템 공학부에서 핵융합 플라즈마 공학 전공으로 공학박사학위를 받았으며, 2015년부터 국

가핵융합연구소에서 재직 중이다.



17진공기술과 첨단과학


한국형 핵융합 에너지 연구 개발 장치인 KSTAR (Korea

Superconducting Tokamak Advanced Research)는

1995년 건설을 시작해 2007년 9월 완공되어 2008년부

터 본격적으로 가동하였다[1]. 2010년 고성능 운전 모드

(H-mode)를 달성한 이래 매년 플라즈마 운전 기록을 갱

신해 왔으며, 2016년에는 고성능 플라즈마 운전 모드 중

의 하나인 ‘내부 수송 장벽 (ITB, Internal Transport

Barrier) 운전 모드를 초전도 핵융합 장치 중 최초로 구현

하였다 [2].

2. KSTAR 토카막 (Tokamak) 장치

토카막이란 1950년대 초 구소련의 물리학자 Tamm

과 Sakharov에 의해 제안된 것으로서 초창기의 토카

막 실험은 구소련 Moscow의 I.V. Kurchatov 연구

소에서 시행되었다. 토카막 (Tokamak)은 러시아어

의 ‘toroiidalonaya (toroidal)’, ‘kamera (chamber)’,

‘magnitnykh (magnet)’, ‘Katushkah (coil)’ 의 네 단

어의 합성으로, 전자석 코일을 이용한 토러스형 용기라는

뜻을 함축하고 있다.

토카막 장치는 3개의 기본적인 시스템으로 구성한다.

첫번째는 플라즈마를 담는 그릇인 토러스가 있다. 이 토

러스는 통상 진공 용기라고도 하며 주변에 핵융합 연료

(중수소, 삼중수소)를 주입하는 연료 주입 장치, 발생된

플라즈마를 높은 온도로 가열하는 플라즈마 가열 장치,

그리고 플라즈마의 전류 세기, 플라즈마의 물리적 위치,

온도, 압력 등을 측정하는 플라즈마 진단 장치 등이 설

치된다. 두번째는 1차측인 변압기-마그넷이다. 이것은

초기 순간적인 전류 변화를 통해 2차측 토러스에 루프

전압을 유기한다. 유기된 루프 전압은 핵융합 연료 기체

를 방전시켜, 토러스 내에 플라즈마 전류를 형성한다.

또한 플라즈마 전류의 유지를 위해 루프 전압을 지속적

으로 제공하는 역할도 한다. 세번째는 토러스를 감싸고

있는 토로이달 마그넷으로 플라즈마를 구속하기 위한

강력한 토로이달 자기장을 제공한다. 결국 토러스 내에

서는 플라즈마 전류에 의해 생기는 폴로이달 자기장과

토로이달 방향의 자기장이 중첩되어 나선상의 자력선을

형성한다.

KSTAR 장치는 높이 약 10미터, 직경 약 10미터 규모

이며, 플라즈마 전류 2.0 MA과 토로 이달 자기장 3.5 T

로 최대 동작 시간 300초의 준-정상상태 운전을 목표로

[Fig. 1] KSTAR Front view in the main hall

[Fig. 2] Cross section of the KSTAR tokamak(Left), KSTAR tokamak device before the final assembly(Right)




하고 있다. KSTAR 주장치는 약 1억도의 초고온 플라즈

마를 가둬두는 도너츠형 진공 용기와 8.0 T의 고자기장

망을 형성하는 30개의 대형 초전도 마그넷 (16개 TF 마

그넷, 14개 PF 마그넷)으로 구성되어 있다.

진공 용기 내부에 장시간 동안 고온의 플라즈마를 안정

적으로 유지하고 제어하기 위해서는 고자기장이 필수적

으로 요구된다. KSTAR 토카막 장치는 고자기장을 안정

적으로 유지하기 위해 저온초전도체 (Nb3Sn, NbTi) 소재

로 모든 자석을 제작하고 저온 용기 내부에 설치하였다.

저온초전도자석은 액체 헬륨(LHe) 온도의 극저온(4.5 K)

으로 냉각시켜야만 전력 손실이 거의 없이 정상 운전이

가능하다 [3].

3. KSTAR 시동을 위한 플라즈마 유도 방전

KSTAR와 같은 토카막형 핵융합 연구 장치는 플라즈

마 상태의 기체를 도넛 형태의 나선형 전자기장에 가두어

핵융합 반응을 일으킨다. 핵융합 에너지 개발 연구에서는

이들 플라즈마 기체를 오랫동안 많은 양을 전자기장에 가

두는 것도 중요하지만, 애초에 토카막 장치 안에서는 중

성 기체를 플라즈마 기체로 만드는 방전 과정이 선행 되

어야 한다. 이것은 필수적으로 토카막 장치 내의 진공 압

력 및 진공 기체와 관련 된다.

성공적인 토카막 플라즈마 유도 방전을 달성하기 위

해 다음 세가지를 주로 고려 한다. (1) 타운젠드 사

태 (Townsend Avalanche) 특성, (2) 자기 연결 거리

(Magnetic Connection Length), (3) 불순물의 이온

화 복사(radiation) 단계인 ‘불순물 완전 연소(impurity

burnthrough)’. (1)과 (2)는 플라즈마 초기 시동

(breakdown)의 가능 여부를 결정한다. (3)은 플라즈마

시동 후, 플라즈마 전류를 생성할 초기 이온화 과정이 유

한한 플라즈마 루프 인가 전압에 의해 유지되고 증가될

수 있는지를 결정한다 [4]. 이러한 모든 고려 사항은 물리

적으로 잘 알려져 있으며 KSTAR에서 또한 플라즈마 유

도 방전을 원활히 달성하고 있다.

타운젠드 사태 이론에 따르면, 이온화 성장률 α (단위

길이 당 이온화) 는 α = Ap exp(-Bp/E) 이다. 여기서 p

는 중성 가스 압력 (일반적으로 Torr 로 측정하며, 1 Torr

= 1 / 760 atm ≈ 131 Pa), E는 전기장, A와 B는 가스

종에 의존하는 계수이다. 수소 또는 중수소의 A, B 값은

A = 510 m-1 Torr-1, B = 1.25×104 Vm-1 Torr-1 이다.

또한 자기 연결 거리 (이온화 지점에서 장치 외벽까지 자

기력선을 따른 거리, L)는 1/α 로 고려된다. 따라서 토카

막 플라즈마의 초기 유도 방전을 위한 최소 전기장 세기

(수소 또는 중수소) 는 P에 비례하고 L에 반비례하는 특

성을 보이며, 다음의 수식으로 표현한다.

Emin(Vm-1) =1.25×10-4p(Torr)

ln[510p(Torr) L (m)]

[Fig. 3] KSTAR Front view in the main hall

[Fig. 4] Minimum electric fields for Townsend avalanche breakdown

in hydrogen, deuterium, and helium for various connection

lengths Leff[5].





이때의 유효 자기 연결 거리는 현존하는 중대형 토카막

장치들이 유효 범위인 200 ≤ L (m) ≤ 2000으로 가정한

다면, 앞의 수식은 그림 3와 같이 표현 된다.

전기장은 토카막 장치 중심의 폴로이달 코일의 변압기

동작에 의해 생성할 수 있으나, 코일에 전류를 공급한 전

력 장치의 제한으로 인해 인가 가능한 전기장 세기 또한

제한될 수 밖에 없다. 보통 중대형 토카막 장치들에서 인

가 가능한 전기장의 세기는 ~0.05-0.50 Vm-1 정도이

다. 따라서 토카막 플라즈마 시동을 위해, 진공 용기 내

기체 압력은 ~10-5-10-4 Torr 정도를 갖는다.

플라즈마 시동 및 수소 이온화 과정에 따라 발생한 플

라즈마의 생존은 탄소 또는 산소와 같이 낮은 전하량을

갖는 불순물의 이온화를 추가로 달성하는 데 강하게 영

향을 받는 것으로 알려져 있다. 이러한 불순물(초기 플

라즈마 이온 밀도 중 ~10% 정도의 비율로 존재함)은 거

의 완전히 이온화 될 때까지 강력하게 복사(radiation) 에

너지를 방출하고, 이것은 플라즈마가 100 eV 이상의 온

도로 가열되는 것을 막는다. 거의 모든 불순물을 완전

히 이온화시키면 이것을 ‘불순물 완전 연소 (impurity

burnthrough)’ 라고 하며, 이를 바탕으로 성공적인 토카

막 플라즈마 방전을 이루어 낸다. 하지만 만약 불순물이

불완전 연소를 한다면 초기 생성한 플라즈마 전류를 유지

할 수 없으며 플라즈마 방전은 실패하게 된다. 따라서 토

카막 장치 벽에서 방출되는 불순물, 특히 산소의 초기 유

입을 줄이는 것이 플라즈마 시동 및 플라즈마 생존에 필

수적으로 고려되어야 할 사항이다.

4. KSTAR 주장치 진공 배기 시스템

KSTAR의 운전에 필요한 진공 배기 시스템은 크게

진공 용기(Vacuum vessel) 배기 시스템과 저온 용기

(Cryostat) 배기 시스템으로 구분 한다. KSTAR의 진공

용기는 110 m3의 체적을, 저온 용기는 460 m3의 체적을

갖는다. KSTAR 플라즈마를 발생시키기 위해, 첫 단계로

상온의 진공 용기(VV, Vacuum vessel)와 저온 용기(CR,

Cryostat) 내부의 압력을 (Pvv)≦5.0×10-7 mbar, (Pcr)

≦1.0×10-4 mbar 로 유지하기 위해 설치된 진공 배기 시

스템을 이용하여 용기 내부의 분자를 용기 외부로 배출하

게 된다. 불순물 분자들은 플라즈마 발생을 억제시킬 뿐

만 아니라 발생한 플라즈마를 소멸시키기 때문에, 진공

용기 내부는 고진공 상태를 유지해야 한다. 특히 저온 용

기 내부는 단열을 위한 다층막 단열재 (표면적 35,000

m2), 저온 용기 외부에 연결된 포트 107 개, 용접 밸로우

즈 72 개, 내부를 관통하는 헬륨 냉각 라인 1,960 m, 용

접 개소 5,000 여개소, 저온 용기 내부 온도 및 응력을

감시하기 위한 신호선 (800 개소, 1,600 m) 등으로 매우

취약한 진공 조건을 지니고 있다. 저온 용기 내부의 분자

는 극저온 상태로 냉각되는 초전도 자석을 비롯한 모든

극저온 냉각 대상물들을 외부의 상온 전도 열로부터 보

호하는 진공 단열을 유지하는 것이 목적이다. 진공 단열

(Vacuum insulation)은 극저온 액체를 저장하는 내부

용기와 상온에 노출된 외부 용기를 일정한 공간을 사이에

두고 이중 용기로 제작하고, 그 사이 공간에 위치한 기체

를 제거하여 인위적인 진공을 생성함으로써 대류열전달

의 형태로 전달되는 외부로부터의 열 유입을 차단하는 기

술이다. 또한 극저온 액체용 저장 탱크는 진공 단열 기술

을 기본으로 장착하고 있으며 통상적으로 ≈10-4 mbar

이하의 진공 환경이 요구된다.

KSTAR 진공 배기 시스템에 설치된 진공 펌프는 대기

압으로부터 10-3 mbar 정도의 압력까지 작동하는 저진

공 펌프와 10-3 mbar 이하의 고진공 영역으로부터 초고

진공 영역까지 작동하는 고진공펌프로 구분된다. 저진공

에서는 기체가 점성류 영역에서 집단적으로 움직이므로

저진공 펌프는 기체를 대기압 이상으로 압축시킨 후 밖으

로 배출하는 방법을 주로 쓴다. 그에 반해 분자류 영역에

서 작동하는 고진공펌프는 기체 분자 하나하나에 힘을 작

용해 배기한다. 이런 이유로 고진공펌프는 대부분 저진공

펌프로 먼저 초벌 배기(roughing pumping) 한 후 작동

을 시작해야 하며, 작동 중에도 적당한 용량의 저진공 펌

프로 배기구의 압력, 즉 배압(backing pressure)을 중진

공으로 유지해야 한다. 작동 가능한 압력까지 배기하는

펌프를 초벌 배기 펌프(roughing pump), 배압 유지용

펌프를 보조 펌프(backing pump)라고 부르며, KSTAR

진공 배기 시스템에서는 초벌 배기 펌프와 보조 펌프가

같이 사용한다 [6].

진공 배기 시스템에 설치된 진공 펌프를 진공 용기와

저온 용기에서 격리하면 용기 압력이 올라가는데 이 압력

상승의 원인으로는 기체 누설(Leak), 벽으로부터의 탈리

(Desorption)와 투과(Permeation)를 들 수 있다. 그 중

누설이 진공 시스템의 도달 진공도를 일차적으로 결정하




는 경우가 많다. 누설은 압력이나 농도 차이가 있을 때 용

기 벽의 결함을 통해 기체가 흘러 들어오거나 빠져나가는

현상을 말한다. 누설을 원인별로 나누어보면 우선 가장

흔한 경우로 접합부의 기밀(Seal)이 불완전한 경우를 들

수 있는데 용접 부위, 밸브 연결 부위, 진공계 연결 부위

등에서 새는 것이다. 두번째로는 용기 벽에 미세한 구멍

(Hole) 또는 균열(Crack)이 있거나 재료의 조직에 불균일

한 부분이 있을 때 누설이 생기는 경우다. 한편 진공도가

의도한 만큼 떨어지지 않으면 가장 먼저 누설을 의심하지

만 때로는 실제 누설이 아닌 경우도 있다. 우선 두께가 너

무 얇거나 다공질인 재료로 용기를 만들어 투과가 심하게

일어나거나, 재료 가공 및 세정이 잘못되어 기체 방출이

심한 경우가 이에 해당한다. 또 이중 용접 및 이중 개스킷

을 쓰거나 진공 용기 내부에 깊은 틈새가 있을 때 가상 누

설(Virtual leak) 현상이 일어날 수 있다.

KSTAR는 건설 단계와 고성능 플라즈마를 발생하기 위

해 진행되는 성능 향상 공정에서 가상 누설을 포함한 진

공 결함 현상을 억제하기 위해 지속적으로 품질을 관리하

고 있다. 그 결과 KSTAR 건설 단계가 완료된 직후 수행

된 시운전(Commissioning) 진공 단계와 이후 10년 동안

진행된 플라즈마 실험 기간 중 진공 용기와 저온 용기 벽

에서 존재할 수 있는 미세한 구멍 및 균열 검사를 이상 없

이 수행할 수 있었다.

5. KSTAR 토카막 주장치 진공 환경 개선 공정

가열 탈기체 처리

KSTAR 진공 용기 내부에는 고성능 플라즈마로부터

장치 보호를 위한 플라즈마 대향 장치 (PFCs, Plasma

Facing Components)와 진공 용기 내 제어 코일(IVCC,

In-vessel Control Coil), 진공 용기 내 크라이오 펌프

(IVCP, In-vessel Cryopump), 플라즈마의 특성을 진

[Fig. 5] A bird's eye view of the in-vessel components including passive stabilizers, divertor covered with graphite tiles, and in-vessel cryopump





단하기 위한 많은 진단 장치가 설치되어 있다. 진공 용기

내 다수의 부품의 높은 표면 기체 방출률은 상온 진공 배

기 단계에서 목표하는 진공도(P) ≦ 5.0×10-7 mbar에

도달하기 어렵게 한다. 이것은 진공 용기 도달 진공도와

배기 기간에 용기의 부피(V)보다 표면적(A)이 더 큰 영향

을 미치기 때문이다. 일반적으로 표면적(A)/부피(V) 값

이 크면 기체 방출과 재흡착의 준평형 상태가 만들어져

실기체 방출률 (Real outgassing rate)에 비해 배기율

(Pumping rate)이 매우 낮아진다. 이러한 이유로 표면

기체 방출을 충분히 줄이지 않고 단순히 배기량을 늘리는

것으로는 초고진공에서 극고진공 영역에 도달하기 어렵

다. KSTAR 진공 용기 내부에 설치된 플라즈마 대향 장

치(PFCs)는 그래파이트(Graphite) 재료로 설치 되었으

며, 다른 금속 재료 보다 많은 기체 방출률을 보인다. 따

라서 진공 용기 내부의 목표 진공도를 달성하기 위해서는

가열 탈기체 처리가 필수적으로 수행되어야 한다.

정상 상태에서 압력(P)은 기체 유입량(leak) 또는 실기

체 방출률을 배기 속도로 나눈 값이다. 인위적인 기체 주

입이 없을 때 기체 방출에 기여하는 주요 기체원 중 용기

의 압력에 영향을 미치는 것은 주로 표면의 흡착 분자들

이지만 고체 내부로부터 방출되는 기체도 재료에 따라서

는 무시 할 수 없다. 가열 탈기체 처리는 용기 재료 표면

에 흡착되어 있거나 재료에 흡수되어 내부에 저장되어 있

는 기체분자를 열적으로 활성화 시킴으로써 서로간의 결

합을 끊고 공간으로 방출되는 확률을 높여 이들 분자를

원활히 배기하는데 목적이 있다. 일반적으로 금속 표면에

부딪힌 거의 모든 분자는 표면에 흡착해 일정 시간 표면

에 머무른다. 이 때 탈리 에너지를 Ed라 하면 평균 체재

시간 τ는 eEd/RT에 비례한다. 따라서 온도를 높이면 τ는

감소하고 배기 시간은 짧아진다. 다시 말하면 가열 탈기

체 처리는 기체 분자의 평균 체재 시간을 줄여 기상(Gas

phase)으로 존재하는 시간을 증가시킨다.

목표 진공도에 도달하기 위해 용기 재료와 진공시스템

의 구성 부품 등에 따라 탈기체 처리에 필요한 용기 가열

온도가 다르다. 그러나 어느 경우라 할지라도 용기 전체

를 균일하게 가열하는 것이 가장 중요하다. 온도가 균일

하지 않으면 고온 부분에서 방출된 기체 분자가 저온 부

분에 흡착되는 현상이 일어나서 배기 효율이 가열 온도에

비해 현저히 떨어지고 용기에 열응력이 발생할 수 있기

때문이다. 현재 KSTAR 진공 용기 내부의 실기체 방출률

을 감소시키기 위해 운영하고 있는 가열 탈기체 장치는

그림 6과 같이 3가지로 구성되어 있다. 진공 용기, 대형

진공 배기관과 플라즈마 대향 장치 표면의 실기체 방출률

을 감소시키기 위해 설치된 3가지의 가열 탈기체 장치는

진공 배기 시스템 설치된 진공 펌프로 도달할 수 있는 압

력(P)에 도달한 이후, 운전이 시작된다. 다만, 설치한 가

열 탈기체 장치의 특성과 가열 탈기체 처리 재료에 따 라

서 상승 최고 온도 및 유지 시간 등의 운전 조건을 다르게

적용한다.

진공 용기 및 대형 진공 배기관 내부 표면의 잔류 기체

주성분은 주로 물(H2O)이다. 이것은 재료 표면 및 얕은

내부 층에 흡착 또는 저장되어 있으므로 가열을 통해서만

제거할 수 있다. 물은 크지도 작지도 않은 적당한 크기의

[Fig. 7] Remove major impurities during the KSTAR baking operation

[Fig. 6] KSTAR Baking system for the vacuum vessel




탈리 에너지를 가지고 있다. 따라서 상온에서는 진공 용

기 내 표면 위에서 탈리와 흡착을 반복하면서 거의 무한

히 용기 내에 잔류하게 된다. 진공 용기 표면에 잔존하는

물 분자를 제거하기 위해 진공 용기 격벽 사이에 뜨거운

물을 110~120 ℃로 흘려주어 가열 탈기체 처리를 진행하

고, 대형 진공 배기관은 외부의 크롬 열선 온도(120 ℃)를

상승시켜 내부의 물 분자를 제거하게 된다. 더불어 플라

즈마 대향 장치의 표면 또는 내부에 존재하는 물 분자 및

불순물을 제거하기 위해 플라즈마 대향 장치 후면에 설치

된 도관으로 가열한 (Max. 300 ℃) 질소 가스를 공급하

여 준다.

그림 7은 진공 용기 설치된 가열 탈기체 처리 장치 운

전 기간 중 온도에 따라 내부에서 탈리 되는 불순물 기체

를 보여주고 있다. 용기 내부에 존재하는 물 분자는 플라

즈마 대향 장치 재료의 온도가 150 ℃가 되면 가장 많이

용기 밖으로 제거되며, 플라즈마 대향 장치 재료의 온도

가 최고 온도 (Max. 260 ℃)까지 가열되면 수소 분자들

이 많이 제거되는 것을 알 수 있다. 플라즈마 대향 장치

재료인 탄소 복합 섬유 재료는 300~400℃로 가열 탈기

체 처리를 수행하여야 가장 효과적으로 표면 및 재료 내

부의 불순물이 제거되는 것으로 알려져 있다. 만약 플라

즈마 대향 장치 재료 표면 및 재료 내부의 실기체 방출률

을 제어하지 않고 방치하면 이후 진공 용기 내부에 발생

되는 플라즈마의 질을 보장할 수 없다 [7].

방전 세정 운전 및 보론화

진공 용기 가열 탈기체 처리 과정에서 용기 내부의 불

순물의 탈리 에너지가 낮아지면, 방전 세정(Discharge

cleaning)을 활용하여 가속화 시킨다. 방전 세정은 기본

적으로 이온 충격 탈리와 이온 화학 작용에 근거를 두고

있다. 따라서 단순한 가열이나 여타의 충격 탈리에 비해

방전 세정은 불순물 제거에 높은 성능을 보인다. 방전 세

정은 글로우(Glow) 플라즈마 영역을 사용하는데, 이 때

의 플라즈마는 넓고 고르게 퍼지는 특성을 갖고 있다. 전

극 한 개로 수 m의 거리까지 세정 영역을 확보 할 수 있

으며 굴곡과 요철에 그다지 민감하지 않을 뿐만 아니라

물체 뒤편에도 세정 영역의 그림자가 많이 발생하지 않

는다.

방전 세정 시 사용하는 동작 기체에는 수소, 헬륨, 아

르곤-산소 혼합 기체 등이 있다. KSTAR 진공 용기 방

전 세정에는 수소(중수소)와 헬륨을 주로 사용하고 있다.

수소(중수소)는 스테인리스 강제 진공 용기에서 많이 사

용하는데, 수소(중수소)를 핵융합 연료로 사용하는 핵융

합 실험 장치에서는 가장 적합한 기체라고 할 수 있다.

수소(중수소)는 재료에 포함되어 있는 탄소와 결합하여

메탄(CH4) 등을 만들고 표면 산화물 층에 들어있는 산소

와 결합해 물(H2O)을 만든다. 표면의 산소는 메탄과 반

응해 일산화탄소(CO)나 이산화탄소(CO2)로 방출될 수도

있다. 산소와의 직접 반응은 표면 온도를 150~300℃ 로

가열함으로써 속도를 증가시킬 수 있으며 추가로 메탄

(CH4)을 더 주입하는 방법도 있다. 다만 수소(중수소)는

금속에 잘 침투하는 기체로 수소(중수소) 방전 세정한 용

기는 높은 수소(중수소) 분압에서 벗어나기 어렵다는 것

에 주의해야 한다. KSTAR 진공 용기의 방전 세정은 수

소(중수소) 기체와 더불어 헬륨 기체를 사용하여 높은 수

소(중수소) 분압 분위기를 벗어나기 위해 노력하고 있다.

헬륨은 대형 토카막 장치처럼 탄소를 플라즈마 대향 재

료로 많이 사용하고 있는 경우 수소에 의한 탄소의 화학

적 마모를 막기 위해 방전 세정 기체로 사용한다. 헬륨은

불활성 기체인 만큼 충격 탈리가 기체 방출의 주 기작이

다. 방전 세정은 결국 이온의 조사량이 떨어져 나오는 기

체량을 결정한다. 방전 세정의 효과를 얻기 위해서는 단

위 면적당 이온의 조사량이 최소 1 C(쿨롱)/㎠이 되어야

한다. 그림 8은 수소(중수소) 방전 세정 이후 물리 흡착

층 및 화학 흡착층 또는 산화물층의 수소(중수소)원자와

[Fig. 8] Mechanism of the Glow discharge cleaning





의 상호작용을 통해 다량 제거되는 기작을 보여주고 있

다 [8].

방전 세정은 진공 용기의 가열 탈기체 처리 단계에서는

주로 용기 내부의 불순물 제거를 목적으로 수행하며, 이

후 플라즈마 운전 단계에서는 진공 용기 내부의 수소 및

중수소 양을 제거하기 위해 진행 한다. 상온 진공 배기 단

계에서는 진공 용기 내부 존재하는 불순물을 빠르게 제거

하기 위해 가열 탈기체 처리 단계에서 진행되는 방전 세

정을 언급하였다. 이렇게 진공 용기의 가열 탈기체 처리

와 방전 세정 운전이 종료된 이후 진공 용기 내부의 실

기체 방출률은 ≈ 5.0 × 10-3 mbar・ℓ/s에서 ≈ 4.0

× 10-4 mbar・ℓ/s로 감소하였고, 기저 진공도 (Base

pressure) 는 ≈ 8.0 × 10-8 mbar 로 유지하였다.

KSTAR는 진공 용기의 내부에 존재하는 불순물을 제

거하고 용기 내부에 플라즈마 발생 운전을 진행하기 이

전 최종 단계로 불순물 농도를 제어 (Particle balance

control)하기 위해 진공 용기 내부에 보론(Boron) 코팅

처리를 수행하고 있다. 진공 용기 내부 표면의 보론화는

초기 TEXTOR 장치에서 B2H6를 이용하여 처음 시도되

었으나, 이 기체는 독성이 강하며 폭발 가능성이 있었다.

KSTAR에서는 카보란(C2B10H12)을 사용하여 보론화 공

정을 수행하고 있다. 카보란은 상온에서 고체의 물질로

존재하기 때문에 진공 용기 내부 표면의 보론화 처리를

진행하기 위해 별도의 가열 시스템을 이용하여 가스 상태

로 전환한다. 진공 용기 내부의 보론화 처리 직후 카보란

분자로부터 떨어져 나온 수소 동위 원소가 진공 용기 내

부에 흡착되어 기저 진공도에 영향을 미치는 것이다. 따

라서 헬륨을 이용한 방전 세정 운전을 수행하여 진공 용

기 내부의 수소 동위 원소량을 조절해 주는 과정이 필수

적으로 수행되어야 한다 [9].

6. 핵융합장치에서의 진공 시스템의 향후 전망

핵융합 연구는 인류가 아직까지 정복하지 못한 에너지

원의 원리인 핵융합 반응을 이용해 전기를 생산하는 것

을 목표로 한국에서는 KSTAR 프로젝트가 진행되고 있

다. 또 한가지 주목할 것은 핵융합 상용화를 위한 마지

막 단계인 ITER 사업이 선진 7개국 (미국, 유럽연합, 일

본, 중국, 러시아, 인도, 한국) 주도로 국제핵융합실험로

(ITER)를 프랑스 남부에 건설하고 있다. 이것은 핵융합

발전소 건설을 위해 아직까지 남아있는 기술적 난제를 해

결하기 위한 것이다. 이러한 과정에서 핵융합 연구 시설

또는 핵융합발전소에 요구되는 진공 환경 조건에 도달하

기 위해 대용량 진공 펌프 (진공배기속도< 1,000,000 ℓ/

s)의 개발을 많은 나라에서 다각적으로 진행하고 있으며,

고성능 플라즈마를 구현하기 위한 진공 환경 개선 공법을

지속적으로 연구하고 있다.

[1] 국가핵융합연구소, “인류가 원하는 미래에너지 핵융합의 세계”, 동아

사이언스 (2015.03)[2] S.W. Yoon, et al., “Overview of KSTAR Experimental Results in 2017

Campaign”, 2017 KSTAR Conference, Jan. 18th, Muju, Korea[3] G. S. Lee, et all. “Design and construction of the KSTAR tokamak”, Nucl.

Fusion, vol. 1. no. 10, p. 1515, Oct. 2001.[4] ITER Physics Expert Group, “Chapter 8: Plasma operation and control”,

Nucl. Fusion 39 (1999) 2577[5] R. Yoshino, M. Seki, “Low electric field (0.08 Vm-1) plasma-current

start-up in JT-60U”, Plasma Phys. Control. Fusion 39 (1997) 205[6] K. P. Kim, et al, “Overview of the KSTAR vacuum pumping system”,

Fusion Engineering and Design 84 (2009) 1038-1042.[7] K. P. Kim, et al, “Improvement of initial vacuum condition along 2008-

2010 KSTAR campaign by vessel baking”, Fusion Engineering and Design 86(2011) 671-674.

[8] S. H. Hong, et al, Initial phase wall conditioning in KSTAR, Nuclear Fusion 51 (2011) 103027(15pp).

[9] S.-H. Hong, et al, “First boronization in KSTAR: Experiences on carborane”, Fusion Engineering and Design 85(2010)946-949.

│References│

Documents

KSTAR 토카막 장치 진공 기술 현황 · 2017. 7. 20. · high temperature baking operation, a discharge cleaning process and boronization. 김광표 저자는