핵융합이 주목받는 이유 ②

이호선 기자 승인 2020.09.13 00:48 의견 0
(자료=국가핵융합연구소 이미지합성) 

핵융합 발전은 매우 강력한 장점들을 지니고 있다. 

▶매우 높은 연료 효율성 을 지니고 있다. 약간의 연료로도 발생하는 에너지가 어마어마하다.  수소 50kg만 있으면 1GW급 핵융합발전소를 1년 동안 운영할 수 있다. 계산상으로 수소 1,000t만 있어도 1년 동안 다른 에너지 공급수단 없이도 전 세계가 에너지 걱정 없이도 살 수 있을 만큼의 에너지가 나온다

▶매우 풍부한 연료의 매장량 을 지니고 있다. 연료인 수소는 '그냥 바닷물'을 퍼와서 증류하고 분해하면 끝이라 간단히 분리할 수 있으며, 지구와 우주에 매우 풍부하다. 수소는 세상에 사실상 무한정이라고 봐도 좋을 정도이다.

▶매우 높은 안전성 이다. 흔히 일반인들이 오해하는 것 중 하나가 '핵융합 발전소에서 발생하는 사고는 핵분열 발전소의 경우보다 더 심각할 것이다.

핵융합 발전은 핵분열 발전과 달리 사고 발생 시 문제가 되는 연쇄 반응, 즉 핵폭발과는 원천적으로 아무런 관련이 없다. 화력/핵분열 발전소와 달리 대형 사고 발생 위험이 전혀 없다. 핵융합 발전소보다 집에 있는 가스레인지가 더 위험하다.

▶매우 높은 환경 친화성을 지니고 있다. 유해물질을 거의 발생시키지 않는다. 핵융합 발전소의 반응생성물은 방사능을 띠지 않는 헬륨이며, 인류 문명에 이롭기까지 하다. 핵융합 발전소에서 나온 헬륨은 풍선으로 만들어 팔아도 문제가 되지 않을 만큼 안전하다. 

◇ 핵융합에너지 발생에 필요한 세가지 조건 필요

첫번째 연료로는 바닷물이 필요하다. 핵융합발전의 연료는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소를 사용한다. 중수소는 바닷물을 전기분해하며, 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬과 중성자를 반응시켜 얻을 수 있다. 바닷물은 지구 표면의 70% 이상을 뒤덮고 있으며, 리튬 또한 매장량이 풍부하다. 따라서 핵융합 발전에 필요한 연료는 거의 무한하다고 볼 수 있다.

바닷물은 지구 표면의 70% 이상을 뒤덮고 있으며, 핵융합 발전에 필요한 연료는 거의 무한하다고 볼 수 있다.

두번째로는 1억도의 플라즈마가 필요하다. 양(+)전하로 밀어내는 성질을 지닌 원자핵들이 융합하기 위해서는 온도를 높여 서로 밀어내려는 반발력을 이기고 충돌할 수 있도록 해야 한다. 핵융합 반응이 일어나는 태양 중심부는 약 1,500만도 정도이며, 지구에서 핵융합을 만들기 위해서는 태양보다 뜨거운 1억도 이상의 높은 온도의 플라즈마를 필요로 한다.

태양보다 뜨거운 1억도 이상의 높은 온도의 플라즈마를 필요로 한다.

세번째로 1억도의 플라즈마를 담을 그릇(용기: 토카마)이 필요하다.지구에서 핵융합을 실현하기 위해서는 인공적으로 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 담고, 핵융합 반응이 유지되도록 가둬 둘 용기가 필요하다.

이를 위해서 전 세계적으로 다양한 방식으로 연구가 이루어지고 있다. 현재 상용화에 가장 가까운 핵융합 장치는 도넛 형태의 자기장가둠 방식을 이용하는 ‘토카막’ 장치이다.

토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다.

플라즈마는 전기적 성질을 띤 이온이기 때문에 전기장을 걸어주면 자기력선 주위를 마치 꽈배기처럼 맴돌며 일정한 방향으로 움직이게 된다. 이를 도넛 형태로 이어주게 되면 플라즈마는 도넛 안을 끊임없이 돌며 핵융합을 만들게 된다.

몇가지 ‘인공태양’ 방법 중에 국제적인 노력으로 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다.

플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어한다.

토카막은 러시아말인 ‘toroiidalonaya kamera(chamber) magnitnykh(magnet) katushkah(coil)’의 첫 자를 따서 만든 합성어로, 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후 세계적으로 우수성을 인정받아, 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

◇ 한국, ITER 사업참여

오늘날 중국, 유럽, 인도, 일본, 한국, 러시아, 미국의 과학계는 국가적 프로젝트라 판단하여 핵융합기술에 관한 프로그램을 재배치하거나 ITER과 기술적 특성을 공동연구하고 있다.

ITER이란 1988년 핵융합 선진국인 미국 (구)소련, 유럽, 일본 4개국의 공동합의로 기획돼 국제협력에 의해 추진되고 있는 국제핵융합에너지 개발 프로젝트이다.

이는 핵융합에너지의 평화적 사용에 대한 기술적인 가능성을 확인하는 것으로 상업용 핵융합발전소의 가능성을 실험적으로 검증하는 최종 단계이다.

ITER 프로젝트에는 약 50억 달러가 소요될 것으로 추정되고 있고 2005년부터 약 10년간 건설되어 왔지만 아직 미완성 단계이다.

이와 관련 2001년 최종공학설계를 완료했고 ITER 최종 설계보고서 발간 및 공학설계를 끝냈다.참여국은 EU, 일본, 러시아, 캐나다, 미국, 중국, 한국 등 7개국으로 한국은 지난 2002년 과학기술부 장관 명의로 ITER 가입 의향서를 전달했고 7차 협상회의에서 한국의 ITER 가입에 대한 회의가 있었다.

한국은 지난 노무현 대통령시절 한·공동협력에 합의했고, 국가과학기술위원회에서 한국의 ITER 참여방침을 결정했다. 이후 한국의 공식적인 참여 의사를 통지했고, ITER 준비회의와 협상실무회의에 참석했다.

한국의 ITER 참여는 핵융합 연구개발에 있어 중요한 의미를 지니고 있었다. 40여년간의 세계 핵융합의 집약체인 ITER 프로젝트에 참여함으로써 차세대 유망 에너지원인 핵융합발전의 원천기술을 확보할 수 있게 됐고 ITER 설계기술을 활용과 장치제작에 참여함으로써 국내 관련산업의 첨단화를 이룰 수 있는 발판을 마련했다.

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