KSTAR 인공태양 개발 사업 이끌어…플라즈마 실험 가시적 성과
[Science] 깨끗하고 없어지지않는 ‘핵융합에너지’ 만들수 있을까?

오늘날 우리는 단 1분,1초도 에너지 없이 살 수없다.

휴대폰,MP3,비디오 게임, 컴퓨터,DMB TV 등 우리 주변의 전자기기 역시 에너지 없이는 움직일 수 없다.

전등,전기난로,에어컨,TV,자동차가 아니더라도 우리 삶을 즐겁고 편리하게 해 주는 발명품들은 모두 어떤 형태로든지 에너지를 필요로 한다.

따라서 우리의 삶이 더 편해지고 즐거워지기를 원하면 에너지 수요도 점점 더 늘 수밖에 없다.

우리가 필요한 만큼의 에너지를 얼마든지 얻을 수 있는 것은 아니지만 핵융합에너지는 무한 에너지에 대한 인류의 꿈을 현실로 만들어 줄지도 모른다.

⊙ 제4의 물질상태인 플라즈마

핵융합 에너지는 환경적으로 깨끗한 에너지를 무한정 제공할 수 있는 매력을 가지고 있어 전 세계에서도 핵융합을 이용해 에너지를 만들려는 노력이 끊임없이 이루어져 왔다.

그러나 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 연료를 태양보다 더 뜨거운 1억도 이상으로 가열해야 하는데 그렇게 뜨거운 것을 담을 용기를 만들 수 있는 물질이 지구상에는 아직 존재하지 않는다.

인공 태양에 대한 연구는 바로 이 문제에서부터 출발한다.

태양과 같이 스스로 빛을 내는 별들은 핵융합반응을 통해 에너지를 발생한다.

별들의 중심은 1억도 이상의 초고온 플라즈마 상태인데 이러한 상태에서는 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 일어난다.

이 융합 과정에서 나타나는 질량 감소가 엄청난 양의 에너지로 방출되는데 이를 '핵융합에너지'라고 한다.

우리가 사는 지구상에는 중성 원자가 핵과 전자가 서로 떨어져 각자 따로 존재하는 플라즈마 상태로 존재하는 경우가 거의 없다.

이 때문에 플라즈마 상태는 물질의 네 번째 상태라고 불리기도 한다.

유일한 예외가 극지방의 오로라나 번개 정도일 것이다.

따라서 인공 태양을 만들기 위해서는 플라즈마를 만드는 데에서부터 시작한다.

플라즈마는 고체,액체,기체 상태가 아닌 제4의 물질 상태로 원자핵과 전자가 분리된 자유로운 형태를 말한다.

태양을 비롯한 우주의 99% 이상은 플라즈마 상태로 돼 있는데 번개나 오로라,형광등,네온사인 등이 플라즈마에 해당된다.

하지만 지구는 태양처럼 핵융합반응이 일어날 수 있는 초고온 · 고압 상태의 환경이 아니기 때문에 핵융합에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치와 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다.

핵융합장치는 이 같은 초고온의 플라즈마를 진공용기 속에 넣고 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두어 핵융합반응이 일어나도록 하는 원리를 사용한다.

이 때문에 핵융합장치 벽면에 직접 닿는 부분의 온도는 수천도에 불과하다.

핵융합장치는 이처럼 수억도의 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에서와 같은 원리로 에너지를 만들어 낸다고 해 '인공태양'이라 불리기도 한다.

이 같은 인공태양의 고진공용기 안에 중수소와 삼중수소를 주입해 플라즈마 상태로 가열하고 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둔 다음 약 1억도 이상으로 가열,초고온 플라즈마의 핵융합반응을 통해 생성된 중성자의 열에너지로 증기를 발생시킨다.

핵융합발전기는 이렇게 발생된 증기가 터빈발전기를 돌려 전기를 생산하게 되는 원리다.

⊙ 핵융합 에너지의 특징은

핵융합 에너지의 가장 큰 장점은 친환경 에너지라는 점이다.

핵융합 에너지는 온실가스 및 고준위 방사성폐기물이 발생되지 않기 때문에 매우 친환경적이다.

핵융합 반응 결과 발생하는 방사능 폐기물의 방사능 독성도는 50년이 경과하면 오히려 석탄 화력발전의 석탄재 독성도보다 낮아진다.

또한 핵융합에너지는 매우 안전하다.

핵융합반응이 일어나는 초고온의 플라즈마는 전하를 띤 기체로 운전 오작동으로 플라즈마가 불안정해져 핵융합으로 내벽과 접촉하게 되더라도 플라즈마는 즉시 소멸되고 장치의 작동이 멈추므로 근원적인 안전성을 확보할 수 있다.

동시에 핵융합 반응의 연료는 '중수소'와 '삼중수소'로 무한한 에너지다.

중수소는 바닷물 1ℓ당 0.03g이 존재하며 이것만으로도 서울에서 부산을 세 번 왕복할 수 있는 300ℓ의 휘발유와 동일한 에너지를 발생시킬 수 있다.

1ℓ 속에 있는 중수소 추출비용은 약 10원에 불과하다.

또 삼중수소는 리튬을 핵변환이라는 과정을 거쳐서 생산하는데 이 역시 지구상에 약 1500만년 이상의 사용량이 매장돼 있다.

높은 에너지 밀도도 핵융합 에너지의 특징.

중수소와 삼중수소 1g을 융합할 경우 1만ℓ의 중유를 태운 것과 같은 열량을 낼 수 있다.

300g의 삼중수소와 200g의 중수소만으로도 고리원자력 발전소보다 약 2배 큰 100만㎾급 핵융합발전소를 하루 동안 가동시킬 수 있다는 것을 의미한다.

⊙ 인공태양 개발 이끄는 KSTAR

국제핵융합실험로(ITER)는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통한 대용량 전기 생산 가능성을 최종 검증하기 위해 국제 공동으로 핵융합 실험로를 건설하고 운영하는 거대 과학 프로젝트다.

여기에는 우리나라를 포함해 미국 유럽연합 일본 중국 러시아 인도가 참여하고 있다.

국제핵융합실험로 프로젝트에 참여하고 있는 국가핵융합연구소 KSTAR 운영사업단은 핵융합 관련 전문 연구진 100명으로 구성돼 있다.

KSTAR 사업은 국가 거대과학으로 교육과학기술부와 국가핵융합연구소가 핵융합 원천기술을 확보하고 21세기 핵융합에너지 상용화 선도를 위해 가장 진보된 '토카막 차세대 초전도 핵융합연구장치 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)'를 국내 기술로 개발 · 제작하기 위해 1995년부터 2007년까지 약 12년간 총 3090억원을 투입했다.

이 같은 투자로 세계 최고 수준의 핵융합 연구장치인 KSTAR를 성공적으로 완공,보유하게 됐으며 이로써 국내 과학기술력의 우수성을 세계에 입증했다.

또한 세계 최초로 단 한 번에 종합시운전과 최초플라즈마 발생을 완료해 KSTAR 최초 플라즈마 발생 성공에 대해 심층 취재한 과학저널 사이언스,BBC 등 외신뿐만 아니라 국내 주요 일간지, 방송 등 58개 매체에 59건이 보도되는 등 국내외 언론의 주목을 받았다.

특히 지난해 국가핵융합연구소는 KSTAR의 플라즈마 발생 실험에서 당초 목표했던 성능보다 뛰어난 성과인 플라즈마 전류 320kA, 플라즈마 유지시간 3.6초, 플라즈마 '고전류 상태 유지시간(flattop)' 1.4초를 달성했다.

지난해부터 본격 가동을 시작한 KSTAR 실험에는 국내외 핵융합전문가들이 공동으로 참여하고 있으며 KSTAR는 국제 공동연구 중심장치로서의 역할을 수행하고 있다.

특히 핵융합에너지 상용화를 위한 원천 기술개발 및 미래 청정에너지 기술 개발을 선도하고 있다.

<도움말=권면 국가핵융합연구소 선임단장>

황경남 한국경제신문 기자 knhwang@hankyung.com

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