메인. 가상 KSTAR를 활용한 가열 장치 운전 조건별 내벽 열속 분포 분석 / 사진. 과학기술정보통신부
과학기술정보통신부(이하 과기정통부)가 토카막 핵융합 장치를 가상 공간에 구현하는 ‘가상 토카막 플랫폼’ 소프트웨어를 개발하고, 핵융합 장치 내부 핵심 부품의 성능과 안전성을 정밀 검증할 수 있는 디지털 트윈 기술을 확보했다고 지난 9월 10일(수) 밝혔다.
디지털 트윈(Digital Twin)은 실제 장치나 시스템을 가상 공간에 구현해 다양한 운전 조건과 상황을 예측·검증할 수 있는 기술로, 핵융합 연구에 적용할 경우 실제 장치를 제작하거나 운전하기 전에 다양한 시나리오를 시험하고 장치의 동작을 미리 분석할 수 있다. 이를 통해 연구 효율성과 신뢰성을 높이고, 실제 핵융합로 건설 과정에서 발생할 수 있는 위험을 줄이며, 시간적·경제적 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.
한국핵융합에너지연구원 연구진은 한국 초전도핵융합연구장치(이하 KSTAR) 연구 과정에서 확보한 실측 데이터를 기반으로 독자적인 디지털 트윈 기술을 개발했다. 가상 토카막 장치와 슈퍼컴퓨팅 기반 시뮬레이션을 결합함으로써, 핵융합 장치 내벽에 가해지는 열속(Heat load)을 정밀하게 분석할 수 있다. 열속은 단위 면적과 시간당 들어오는 열에너지로, 장치 내벽 설계와 운전 안전성 평가에 핵심 지표로 활용된다.
연구팀은 확보한 디지털 트윈 기술을 국제핵융합실험로(이하 ITER)에 적용해, 플라즈마 운전 조건에 따른 내벽 열속 변화를 3차원 가상 공간에서 시뮬레이션하고 분석함으로써 소프트웨어의 신뢰성을 입증했다. 이를 통해 디지털 트윈 기술이 KSTAR를 넘어 ITER 등 다른 핵융합 장치에도 적용 가능함을 확인했으며, 향후 ITER 운전 및 핵융합 장치 설계·운영에서 기술 활용이 가능해졌다.
특히 이번 소프트웨어는 국내 연구진뿐만 아니라 해외 공동연구진과 국내 산업체에도 제공될 수 있어, 국제 공동연구를 넘어 국내 신산업 창출의 계기로 연결될 전망이다. 이를 통해 산업체는 핵융합 신산업 분야 참여와 핵심 기술 역량 확보, 관련 부품 및 소프트웨어 개발에 직접 활용할 수 있다.
과기정통부 정택렬 공공융합연구정책관은 “민간 협력을 기반으로 핵융합 핵심기술 확보 전략을 수립하고, 연구개발 지원 및 지속가능한 연구·산업 생태계 조성을 통해 국제 핵융합에너지 조기 실현 경쟁에 적극 대응하겠다”라고 밝혔다.
이번 성과는 디지털 트윈 기반 핵융합 연구를 선도하는 우리나라 기술력을 입증하며, 장치 안전성 검증과 연구 효율성 제고, 핵융합 신산업 창출 등 다방면에서 활용될 수 있다. 연구진은 향후 ITER뿐 아니라 차세대 초전도 핵융합 장치 설계, 플라즈마 운전 최적화, 고온·고열 부품 성능 검증 등 다양한 핵융합 관련 연구에 기술을 확대 적용할 계획이다.
디지털 트윈 기반 기술 확보로 핵융합 연구 전 과정을 가상공간에서 시험·검증할 수 있게 되면서, 실제 장치 건설 및 운영에 소요되는 비용과 위험 부담이 크게 감소할 것으로 기대된다. 아울러 이 기술은 국내 산업체가 핵융합 관련 핵심 부품·소프트웨어 개발에 참여할 수 있는 기반이 될 뿐 아니라, 글로벌 핵융합 기술 경쟁에서 한국의 위치를 높이는 전략적 수단이 될 것으로 전망된다.
또한, 디지털 트윈 기술을 통해 핵융합 장치 연구와 설계를 통합하고, 안전성·효율성·경제성을 동시에 확보함으로써 차세대 에너지 산업과 관련 신산업 생태계 구축에 중요한 전환점을 마련했다는 평가를 받는다. 국내 연구기관과 산업체가 협력해 기술 상용화까지 이어진다면, 핵융합에너지 조기 실현과 글로벌 핵융합 경쟁력 확보에도 직접적인 기여가 가능하다.
