미래의 궁극에너지로 인식되고 있는 핵융합에너지 개발을 위해서는 DEMO라는 최종 실증 단계를 거쳐야만 한다. 특히 중국, EU, 일본 등의 주요 국가는 DEMO 건설에 대한 구체적 계획을 수립하고 이를 실행 중에 있다. 한국도 1995년부터 KSTAR 사업을 시작으로 핵융합 연구개발에 착수한 점을 감안하면, 핵융합에너지 상용화라는 최종 목표달성 뿐만 아니라, 주요 국가와 DEMO 경쟁 상황에서 주도권을 확보하기 위한 본격적 연구개발이 필요하다. 이에 본 논문에서는 DEMO 개발을 위한 핵심기술을 파악하기 위하여 준정량적 방법론을 적용, 해당 분야의 핵심기술을 도출함으로써 우선적으로 연구개발이 필요한 기술을 식별하여 향후 연구개발 추진시 기술별 우선순위를 제안하고자 한다. 이를 위한 핵융합 에너지 개발과 관련하여 핵융합의 과학적 원리, 주요국가의 DEMO 개발 동향 등을 파악한다. 다음으로 핵융합 실증로와 관련된 기술분류 체계를 검토하여 분석할 기술분류 체계를 선정한다. 선정된 기술체계에 준정량적 방법론으로 기술수준(TRL)을 파악하고 이를 보완하기 위하여 분석적 계층화 과정(AHP)을 적용한다. TRL과 AHP의 결과를 종합하여 우선적으로 확보해야 할 핵융합 실증로의 핵심기술은 실증로용 연소 플라즈마 기술, 대면재료기술, 구조재기술, 고주파 가열장치 기술, 중성입자빔 장치기술, 안전기술, 연소플라즈마 진단장치기술, 핵융합로 시뮬레이터기술 등으로 나타났다.
미래의 궁극에너지로 인식되고 있는 핵융합에너지 개발을 위해서는 DEMO라는 최종 실증 단계를 거쳐야만 한다. 특히 중국, EU, 일본 등의 주요 국가는 DEMO 건설에 대한 구체적 계획을 수립하고 이를 실행 중에 있다. 한국도 1995년부터 KSTAR 사업을 시작으로 핵융합 연구개발에 착수한 점을 감안하면, 핵융합에너지 상용화라는 최종 목표달성 뿐만 아니라, 주요 국가와 DEMO 경쟁 상황에서 주도권을 확보하기 위한 본격적 연구개발이 필요하다. 이에 본 논문에서는 DEMO 개발을 위한 핵심기술을 파악하기 위하여 준정량적 방법론을 적용, 해당 분야의 핵심기술을 도출함으로써 우선적으로 연구개발이 필요한 기술을 식별하여 향후 연구개발 추진시 기술별 우선순위를 제안하고자 한다. 이를 위한 핵융합 에너지 개발과 관련하여 핵융합의 과학적 원리, 주요국가의 DEMO 개발 동향 등을 파악한다. 다음으로 핵융합 실증로와 관련된 기술분류 체계를 검토하여 분석할 기술분류 체계를 선정한다. 선정된 기술체계에 준정량적 방법론으로 기술수준(TRL)을 파악하고 이를 보완하기 위하여 분석적 계층화 과정(AHP)을 적용한다. TRL과 AHP의 결과를 종합하여 우선적으로 확보해야 할 핵융합 실증로의 핵심기술은 실증로용 연소 플라즈마 기술, 대면재료기술, 구조재기술, 고주파 가열장치 기술, 중성입자빔 장치기술, 안전기술, 연소플라즈마 진단장치기술, 핵융합로 시뮬레이터기술 등으로 나타났다.
Nuclear fusion is one of the most promising options for generating large amounts of carbon-free energy in the future. Major countries such as China, EU, and Japan have established a national plan for DEMO construction and they are implementing it. Korea has started a nuclear fusion research and deve...
Nuclear fusion is one of the most promising options for generating large amounts of carbon-free energy in the future. Major countries such as China, EU, and Japan have established a national plan for DEMO construction and they are implementing it. Korea has started a nuclear fusion research and development by the KSTAR project started in 1995. There are matured needs for a full-scale research and development initiatives to ensure competition with the major countries for DEMO as well as achieve the final goal to commercialize fusion energy. In this paper, we apply the TRL and AHP methods in order to identify the key technologies to conduct DEMO R&D. We propose the priorities of future R&D on DEMO by deriving a core technology in the field. At first, we review the scientific theory of fusion and trend of progress of DEMO activities in major countries. For previous studies, we review TRL and AHP methods to examine the technology classification system of DEMO and identify key technologies. We apply TRL method to identify readiness level of DEMO technologies and AHP to compensate shortcoming of TRL. The key technologies of DEMO to be secured from a synthesis result of the TRL and AHP are burning plasma, plasma facing material, structural material, high frequency heating, neutral particle beam, safety, plasma diagnostic, and simulation technologies.
Nuclear fusion is one of the most promising options for generating large amounts of carbon-free energy in the future. Major countries such as China, EU, and Japan have established a national plan for DEMO construction and they are implementing it. Korea has started a nuclear fusion research and development by the KSTAR project started in 1995. There are matured needs for a full-scale research and development initiatives to ensure competition with the major countries for DEMO as well as achieve the final goal to commercialize fusion energy. In this paper, we apply the TRL and AHP methods in order to identify the key technologies to conduct DEMO R&D. We propose the priorities of future R&D on DEMO by deriving a core technology in the field. At first, we review the scientific theory of fusion and trend of progress of DEMO activities in major countries. For previous studies, we review TRL and AHP methods to examine the technology classification system of DEMO and identify key technologies. We apply TRL method to identify readiness level of DEMO technologies and AHP to compensate shortcoming of TRL. The key technologies of DEMO to be secured from a synthesis result of the TRL and AHP are burning plasma, plasma facing material, structural material, high frequency heating, neutral particle beam, safety, plasma diagnostic, and simulation technologies.
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문제 정의
다음에서는 TRL의 단점을 보완하기 위하여 적용된 AHP와 조합에 대한 선행 연구사례를 검토하고 TRL 방법론 보완에 대한 가능성을 검토한다.
AHP는 대안 간의 선택의 상황에서 그 선호 정도를 계량적으로 나타내는 동시에, 해당 의사결정 체계의 일관성 정도도 계량적으로 파악 가능한 방법론이기 때문에 다양한 분야의 문제 해결에 유용하게 적용되었다. 따라서 본 논문에서는 AHP 방법론 자체에 대한 검토는 논의의 범위에서 제외하고 TRL 외에 다른 정성적 방법론을 보완하기 위한 방법론으로 AHP가 적용된 사례를 살펴보고 그 유용성에 대하여 살펴보고자 한다.
본 장에서는 위에서 파악된 DEMO 관련 국내외 현황을 바탕으로 기술분류 관련 기존의 연구에 대하여 검토한다. 또한 연구방법론인 정성적 방법론으로써 TRL의 장단점을 검토하고 이를 보완하기 위하여 AHP 기법이 활용된 사례를 살펴보고자 한다.
이상에서 확인할 수 있는 바와 같이 TRL, SWOT 등 정성적 방법론의 단점을 AHP에서 도출된 준정량적 기준을 활용하여 보완할 수 있다. 본 논문에서는 기술 선택 과정에서 TRL을 파악한 후 의사결정의 전략성을 강화하는 측면에서 AHP를 활용하여 DEMO 개발을 위한 핵심기술을 제안한다.
본 논문에서는 이처럼 TRL 방법론만으로 의사결정을 위한 정보를 제공하는데 부족한 점을 극복하기 위하여 AHP로 보완한다.
본 논문에서는 정성적 방법론과 준정량적 방법론을 조합하여 DEMO 관련 핵심기술을 도출함으로써 우선적으로 연구개발이 필요한 기술을 식별하고자 한다. 이를 위하여, 먼저 핵융합 에너지 개발과 관련하여 핵융합의 과학적 원리, 연구개발 동향 등을 파악한다.
본 논문은 이러한 구체적인 계획 수립에 필수적 첫 단계인 DEMO를 위해 확보해야할 기술의 수준을 식별하고 어떤 기준으로 전략적 투자를 할 것인가의 문제 해결을 위하여 TRL과 AHP 분석결과를 종합적으로 검토하여 우선 투자 대상기술을 도출하였다.
본 장에서는 위에서 파악된 DEMO 관련 국내외 현황을 바탕으로 기술분류 관련 기존의 연구에 대하여 검토한다. 또한 연구방법론인 정성적 방법론으로써 TRL의 장단점을 검토하고 이를 보완하기 위하여 AHP 기법이 활용된 사례를 살펴보고자 한다.
이러한 시도는 TRL 평가 과정 자체를 준정량적으로 유지한다는 측면에서 높이 평가할 만하나, 그 과정의 복잡성 측면에서 본다면 평가의 난이도가 과도하게 높아지는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 TRL은 기존의 과정을 유지하되, 성숙도가 낮은 기술 모두를 채택할 것인지, 성숙도가 높더라도 전략적으로 취해야 할 기술이 있다면 이는 어떤 방법으로 식별해야 하는지의 차원에서 AHP를 적용하고자 한다.
즉, 과 같이 중수소와 삼중수소가 플라즈마 상태에서 핵융합반응을 일으키게 되면 헬륨이 생성되면서 질량 보존의 법칙에 의하여 하나의 중성자가 남게 되고 이 중성자에 의하여 에너지를 지속적으로 생산할 수 있다는 과학적 원리를 이용한 것이다.
핵융합 실증로(또는 DEMO)와 관련된 연구개발은 중국, EU, 일본이 최근 들어 두드러진 활동을 보이고 있으므로 이들 국가를 중심으로 살펴보고자 한다.
제안 방법
DEMO 건설기술 확보라는 목표를 달성하기 위한 의사결정 기준으로 기술확보의 시급성과 현재 시급하지는 않으나 목표 달성 과정에서 결정적 장애요인(bottleneck)으로 작용할 가능성을 의미하는 취약성 두 가지를 제시하여 기술군의 우선순위를 평가하도록 하였다. 하위기술은 각 기술군 내부에서만 우선순위를 평가한다.
TRL 평가는 제안된 기술트리(도현수 외, 2014)를 바탕으로 수행하였다. 기술수준 평가는 128명7)의 전문가를 기술분과별로 구성하여 각 기술의 현재수준을 파악하였다.
기술수준 평가는 128명7)의 전문가를 기술분과별로 구성하여 각 기술의 현재수준을 파악하였다. TRL의 정의는 기존의 정의를 준용하였으며 최종 9단계인 상용 발전소8) 달성과 현재의 수준이 얼마나 차이가 나는지를 조사하였다.
선행연구 분석은 핵융합 실증로와 관련된 기술분류 체계에 대한 검토와 준정량적 방법론으로 기술수준(TRLs; Technology Readiness Levels) 조사의 적용과 한계점 등을 파악한다. TRL의 한계점을 보완하고자, 분석적 계층화 과정(AHP; Analytical Hierarchy Process)과 결합하여 실증사례를 검토한다. 실증분석은 핵융합 실증로의 주요 핵심기술에 대한 TRL 조사, AHP를 각각 수행하고 그 결과를 조합한다.
실증분석은 도현수 외(2014)에서 제안된 기술트리를 바탕으로 각 기술에 대한 TRL 평가를 수행한다. 또한 AHP는 기술에 대한 의사결정 체계를 수립하고 이에 따라 기술트리 내부의 기술간 상대적 중요도를 평가한다. 최종적으로 TRL과 AHP를 통합한 결과를 바탕으로 한국의 DEMO 기술 중 전략적으로 중요한 기술을 식별한다.
방법론상의 구체적 내용을 살펴보면 도출된 SWOT에 대하여 강점, 약점, 기회, 위협이라는 네 가지 요인간의 우선순위를 도출하고, 강점, 약점, 기회, 위협 요인 각각의 내부 요소간 비교를 한다. 이를 종합하여 SWOT 세부 요인간의 우선순위를 제공하여 전략 수립시 우선적으로 고려할 요인을 제시한다.
실증분석은 도현수 외(2014)에서 제안된 기술트리를 바탕으로 각 기술에 대한 TRL 평가를 수행한다. 또한 AHP는 기술에 대한 의사결정 체계를 수립하고 이에 따라 기술트리 내부의 기술간 상대적 중요도를 평가한다.
TRL의 한계점을 보완하고자, 분석적 계층화 과정(AHP; Analytical Hierarchy Process)과 결합하여 실증사례를 검토한다. 실증분석은 핵융합 실증로의 주요 핵심기술에 대한 TRL 조사, AHP를 각각 수행하고 그 결과를 조합한다. 최종적으로 두 가지 방법론을 조합하여 우선적으로 연구개발이 요구되는 핵심기술군을 제안한다.
본 논문에서는 정성적 방법론과 준정량적 방법론을 조합하여 DEMO 관련 핵심기술을 도출함으로써 우선적으로 연구개발이 필요한 기술을 식별하고자 한다. 이를 위하여, 먼저 핵융합 에너지 개발과 관련하여 핵융합의 과학적 원리, 연구개발 동향 등을 파악한다. 선행연구 분석은 핵융합 실증로와 관련된 기술분류 체계에 대한 검토와 준정량적 방법론으로 기술수준(TRLs; Technology Readiness Levels) 조사의 적용과 한계점 등을 파악한다.
방법론상의 구체적 내용을 살펴보면 도출된 SWOT에 대하여 강점, 약점, 기회, 위협이라는 네 가지 요인간의 우선순위를 도출하고, 강점, 약점, 기회, 위협 요인 각각의 내부 요소간 비교를 한다. 이를 종합하여 SWOT 세부 요인간의 우선순위를 제공하여 전략 수립시 우선적으로 고려할 요인을 제시한다.
또한, EU는 2013년 12월에 EFDA를 EUROFUSION Consortium으로 개편하였다. 이를 통하여 개별국가 차원의 핵융합 연구를 DEMO 건설이라는 최종목표 달성을 위한 연구로 통합 조정하고 2050년대까지 DEMO를 통한 전기 생산을 실증하기 위한 주요 마일스톤을 설정하였다. 그 주요 내용은 2020년 이후 DEMO 공학설계 주력, 2030년대 초 DEMO 건설, 2040년대 초기 운전을 개시하는 것이다(EFDA, 2012).
, 2011)가 있다. 즉, TRL의 평가기준을 최초부터 다양한 측면에서 고려하고 이를 바탕으로 각 기술을 평가하는 데는 AHP를 적용한 것이다. 이러한 시도는 TRL 평가 과정 자체를 준정량적으로 유지한다는 측면에서 높이 평가할 만하나, 그 과정의 복잡성 측면에서 본다면 평가의 난이도가 과도하게 높아지는 단점이 있다.
실증분석은 핵융합 실증로의 주요 핵심기술에 대한 TRL 조사, AHP를 각각 수행하고 그 결과를 조합한다. 최종적으로 두 가지 방법론을 조합하여 우선적으로 연구개발이 요구되는 핵심기술군을 제안한다.
한국도 위에서 살펴본 국제적 추세에 발맞추어 2016년부터 2023년까지 3+3+2년의 3단계로 구분하여 DEMO 건설 경쟁에 대비하기 위한 계획을 산학연 중심으로 수립하였다. 그러나 국가연구개발사업으로 수행을 위한 정부 승인이 필요하기 때문에 향후 실행을 위한 정책 결정이 필요한 상태이다.
대상 데이터
하위기술은 각 기술군 내부에서만 우선순위를 평가한다. AHP 설문 대상은 TRL을 평가한 전문가 중 20명9)을 대상으로 실시하였다.
이론/모형
TRL은 특정 기술의 기술수준 평가 또는, 사업 진행에 대한 진척도 평가의 목적으로 주로 적용되었다. 즉, 새로운 시스템 또는 기술의 확보를 목적으로 현재의 기술 수준 평가를 통하여 향후 연구개발에 필요한 자원의 소요를 가늠하는 방법으로 활용되었다. 그러한 사례로 핵연료 주기 관련 기술의 연구개발(Ikeda et al, 2014), 중소형 원자로 기술 획득에 필요한 활동(Liu and Fan, 2014), 스마트 그리드 개발에 필요한 자원(Liu et al.
성능/효과
TRL 평가결과 비교적 기술격차가 큰 것으로 나타나는 실증로용 연소 플라즈마 기술(1), 대면재료기술(16), 구조재기술(15), 고주파 가열장치 기술(27), 중성입자빔 장치기술(26), 안전기술(13), 연소플라즈마 진단장치기술(28), 핵융합로 시뮬레이터기술(2) 등은 시급성, 취약성 측면에서도 비교적 우선순위가 높은 것으로 나타나 실증로 연구개발 의사결정시 우선적으로 고려할 기술로 나타났다.
TRL 평가에서 기술격차가 비교적 크지 않은 운전 제어 계통기술(3번)은 반대로 AHP 분석결과 우선순위가 높은 것으로 나타나 전략적 선택이 필요한 것으로 파악되었다. 또한 현재 기술격차가 크게 나타나는 연료주기 기술군(37, 39, 40, 41, 42)은 시급성, 취약성 차원의 우선순위는 비교적 높지 않은 것으로 파악되어 TRL 평가에서 파악할 수 없었던 의사결정 요인을 고려할 필요가 있는 것으로 나타났다.
먼저 DEMO 건설기술 확보를 위한 의사결정 기준에 대한 우선순위 평가는 와 같이 시급성 차원의 의사결정 기준이 중요한 것으로 나타났다.
평가결과는, 재료, 연료주기, 안전 및 인허가와 같은 KSTAR, ITER 건설 과정에서 습득할 수 없는 기술군의 수준이 낮은 것으로 평가되었다. 반대로 KSTAR, ITER 건설 과정에서 한국이 확보한 초전도 기술, 시스템 통합기술에 대한 수준은 높은 것으로 평가되었다.
반대로 운전 제어 계통기술(3번), 연료주기 기술군(37, 39, 40, 41, 42)은 TRL 평가결과 기술격차는 높지 않으나, AHP에서는 전략적으로 중요한 것으로 다소 상반되게 나타나 기술확보 의사결정시 전략적 고려가 필요한 것으로 나타났다.
8대 기술군에 대한 시급성 및 취약성 측면의 상대적 중요도와 이를 종합한 최종 우선 순위 결과는 <표 3>과 같다. 시급성 측면에서는 핵융합로 노심기술이 가장 우선순위가 높았으나 취약성 측면에서는 핵융합 재료기술, 가열 및 진단장치 기술의 순서로 나타났다. 최종적으로는 핵융합 노심 기술, 핵융합 재료 기술, 가열 및 진단장치 기술 순서로 우선순위가 높은 것으로 나타났다.
실증로용 연소 플라즈마 기술은 시급성 측면, 취약성 측면, 최종 모두에서 가장 높은 우선순위를 나타내어 그 중요성이 높은 것으로 평가되었다. 운전 제어 계통 기술은 시급성 측면에서는 두 번째로 우선순위가 높았으나, 취약성, 최종 우선순위는 각각 6위, 3위로 나타났다.
실증로용 연소 플라즈마 기술은 시급성 측면, 취약성 측면, 최종 모두에서 가장 높은 우선순위를 나타내어 그 중요성이 높은 것으로 평가되었다. 운전 제어 계통 기술은 시급성 측면에서는 두 번째로 우선순위가 높았으나, 취약성, 최종 우선순위는 각각 6위, 3위로 나타났다. 핵융합 대면재료 기술은 시급성, 취약성, 최종 우선순위가 각각 3위, 2위, 2위로 나타났다.
이상에서 확인할 수 있는 바와 같이 TRL, SWOT 등 정성적 방법론의 단점을 AHP에서 도출된 준정량적 기준을 활용하여 보완할 수 있다. 본 논문에서는 기술 선택 과정에서 TRL을 파악한 후 의사결정의 전략성을 강화하는 측면에서 AHP를 활용하여 DEMO 개발을 위한 핵심기술을 제안한다.
이상을 종합하여 고려하면, 핵융합로 노심, 핵융합 재료, 가열 및 진단장치 기술이 특히 중요한 기술로 나타난다.
시급성 측면에서는 핵융합로 노심기술이 가장 우선순위가 높았으나 취약성 측면에서는 핵융합 재료기술, 가열 및 진단장치 기술의 순서로 나타났다. 최종적으로는 핵융합 노심 기술, 핵융합 재료 기술, 가열 및 진단장치 기술 순서로 우선순위가 높은 것으로 나타났다.
평가결과는, 재료, 연료주기, 안전 및 인허가와 같은 KSTAR, ITER 건설 과정에서 습득할 수 없는 기술군의 수준이 낮은 것으로 평가되었다. 반대로 KSTAR, ITER 건설 과정에서 한국이 확보한 초전도 기술, 시스템 통합기술에 대한 수준은 높은 것으로 평가되었다.
한편, 가열 및 진단 기술이나 동력계통 기술 등은 핵융합연구개발이나 원자력 분야의 기술로 일정부분 활용이 가능하지만, 실증로 건설을 목표로 할 경우 현재의 기술 수준과 목표 수준의 격차는 비교적 큰 것으로 평가되었다.
후속연구
시급성 측면에서 핵융합로 노심 기술이 가장 높게 나타난 결과는 향후 ITER 운영에 대비하여 우선적으로 필요한 기술은 핵융합로 내부의 플라즈마의 거동을 이해하는 노심 기술이 중요하다는 점을 반영하여 나타난 것으로 파악된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미래의 궁극에너지로 인식되고 있는 핵융합에너지 개발을 위해 무엇을 해야하는가?
미래의 궁극에너지로 인식되고 있는 핵융합에너지 개발을 위해서는 DEMO라는 최종 실증 단계를 거쳐야만 한다. 특히 중국, EU, 일본 등의 주요 국가는 DEMO 건설에 대한 구체적 계획을 수립하고 이를 실행 중에 있다.
핵융합에너지는 무엇을 활용하여 생산되는가?
핵융합에너지는 플라즈마 상태에서 일어나는 중수소와 삼중수소 간의 핵융합 반응을 활용하여 생산된다. 즉, <그림 1>과 같이 중수소와 삼중수소가 플라즈마 상태에서 핵융합반응을 일으키게 되면 헬륨이 생성되면서 질량 보존의 법칙에 의하여 하나의 중성자가 남게 되고 이 중성자에 의하여 에너지를 지속적으로 생산할 수 있다는 과학적 원리를 이용한 것이다.
DEMO 관련 핵심기술을 도출함으로 우선적으로 연구개발이 필요한 기술을 파악하기 위해서 해야 할 일은?
본 논문에서는 정성적 방법론과 준정량적 방법론을 조합하여 DEMO 관련 핵심기술을 도출함으로써 우선적으로 연구개발이 필요한 기술을 식별하고자 한다. 이를 위하여, 먼저 핵융합 에너지 개발과 관련하여 핵융합의 과학적 원리, 연구개발 동향 등을 파악한다. 선행연구 분석은 핵융합 실증로와 관련된 기술분류 체계에 대한 검토와 준정량적 방법론으로 기술수준(TRLs; Technology Readiness Levels) 조사의 적용과 한계점 등을 파악한다. TRL의 한계점을 보완하고자, 분석적 계층화 과정(AHP; Analytical Hierarchy Process)과 결합하여 실증사례를 검토한다. 실증분석은 핵융합 실증로의 주요 핵심기술에 대한 TRL 조사, AHP를 각각 수행하고 그 결과를 조합한다. 최종적으로 두 가지 방법론을 조합하여 우선적으로 연구개발이 요구되는 핵심기술군을 제안한다.
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