[디지털비즈온 이호 기자] 과기정통부는 지난 2월 23일‘제18차 국가핵융합위원회’에서‘핵융합 실현을 위한 전력생산 실증로 기본개념’등의 안건을 심의·의결했다.이날 발표된 ‘핵융합 실현을 위한 전력생산 실증로 기본개념’은 2021년 12월 수립된 ‘제4차 핵융합에너지 개발 진흥 기본계획(2022~26년)(이하 제4차 기본계획)의 첫 번째 후속조치로 마련됐다.‘핵융합 전력생산 실증로 기본개념’은 이러한 장기 일정 하에서 현재 기술수준 및 기술확보 가능성 등을 고려해 즉시 상업화로 이어질 수 있는 실증로의 최적 운영 목표와 설계 기준을
[디지털비즈온 이호선 기자] 미국 로렌스 리버모어 국립연구소는 핵융합 기술로 ‘순수한 에너지 생성’에 성공했다고 13일 CNN이 보도했다.미국 정부는 이번 성과로 무한 청정에너지로 불리는 핵융합 발전을 실현하는 데 필요한 중대한 NIF(National Ignition Facility)의 돌파구를 마련했다고 선언했다.NIF 프로젝트는 "열핵 관성 융합"으로 알려진 핵융합으로부터 에너지를 생성한다. 프로젝트는 192개의 레이저 세트를 사용하여 2.05메가줄의 에너지를 수소 동위원소인 중수소와 삼중수소의 동결 펠릿이 들어 있는 완두콩 크
핵융합 기술을 활용한 한국의 인공태양(KSTAR)이 초고온 플라즈마 운전 세계기록을 경신했다.한국핵융합에너지연구원(핵융합연) 'KSTAR' 연구본부는 'KSTAR' 플라즈마 실험에서 핵융합 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마 운전을 30초간 유지하는 데 성공했다고 밝혔다. 이는 2020년 달성한 20초 연속 운전 기록을 10초 연장한 것이다.한국핵융합에너지연구원의 KSTAR 연구본부는 올해 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합발전의 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마 운전을 30초간 유지하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.국내 연구진이
비츠로테크에서 제작 예정인 진단장치 1차벽. (자료 사진=비츠로테크)비츠로테크가 국제핵융합실험로(ITER)의 진단장치 보호용 1차벽(Diagnostics First Wall) 제작사업을 수주했다고 11일 밝혔다.수주 금액은 약 984만 유로(한화 약 130억원 상당)이다. 비츠로테크는 이번 계약으로 2024년까지 ITER 장치에 설치되는 모든 진단장치(총 82개)의 1차벽 제작과 공급 업무를 수행하게 된다.인공태양이라고도 불리는 ITER 장치의 내부에는 플라즈마의 온도, 밀도, 방사선 특성 등을 측정하기 위한 많은 진단장치들이 설치된다. 진단장치 1차벽은 이러한 진단장치들이 핵융합로 내부에서 발생하는 초고온 플라즈마의 고열이나, 중성자, 고자기장 등에 의해 손상되지 않도록 보호하는 구조물이다.ITER 토카막 장치 내 진단장치 포트 플러그 위치 (사진=비츠로테크)ITER 국제기구에서 직접 공고를 낸 이번 입찰에는 비츠로테크 외에도 중국, 프랑스, 이탈리아, 인도 등 세계 각국의 연구소 및 기업들이 참여했으며, 기술 평가 및 가격 경쟁 등을 통해 비츠로테크가 최종 사업 수행자로 결정됐다.비츠로테크는 2009년부터 한국형 인공태양인 KSTAR, 국제핵융합실험로인 ITER에 들어가는 각종 부품 제작에 참여해 왔다. 2018년 10월에는 ITER 국제기구로부터 한화 약 148억원 상당의 IVC BUSBAR 시스템 설계 및 제작사업 수주에도 성공한 바 있다.노성주 비츠로테크 해외영업 본부장은 “기존 핵융합 사업 참여를 통해 얻은 기술력을 바탕으로 이번 진단장치 1차벽 제작 사업을 성공적으로 수행하여, ITER의 성공적인 건설에 기여하겠다”며 “앞으로도 지속적인 ITER 사업 참여를 통해 다양한 관련 사업을 수주할 수 있도록 노력하겠다.”고 소감을 밝혔다.
한국핵융합연구소 KSTAR 실험에서 1억도의 초고온 플라즈마 운전을20초간 유지하는 데 성공했다. (사진=핵융합연구소)한국의 인공태양 ‘KSTAR’가 1억도의 초고온 플라즈마를 20초간 유지하는 데 성공했다. 인류가 무한정으로 사용할수 있는 인공태양 에너지를 실현 하기위해 성큼 다가온 것이다. 국내 연구진이 핵융합 기술 실용화를 위해 반드시 필요한 온도인 ‘1억도’를 세계에서 가장 긴 20초간 유지하는 데 성공했다. 차세대 미래 에너지로 각광받는 핵융합 기술에서 한국이 한발 앞서게 됐다.한국핵융합에너지연구원은 24일 국산 핵융합 연구장치인 ‘케이스타(KSTAR)’로 1억도의 초고온 플라즈마를 20초간 유지해 세계 최장 기록을 세웠다고 밝혔다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체가 아닌 제4의 물질 상태다. 초고온의 플라즈마가 있어야만 핵융합이 가능하다.1억도 초고온 플라즈마의 장시간 운전기술은 핵융합에너지 실현을 위한 핵심 과제로, 이번 KSTAR의 초고온 플라즈마 20초 유지 성과는 장시간 고성능 플라즈마 운전기술 확보를 위한 중요한 전환점이 될 것이라는 평가를 받고 있다.실제로 초고온 플라즈마를 300초간 연속 운전하는 게 가능해지면 이는 곧 24시간 연속운전이 가능해진다는 의미로 받아들여지고 있기 있기 때문이다.KSTAR는 우리 기술력으로 완성한 세계 최고의 핵융합연구장치로, 핵융합에너지는 중수소와 삼중수소를 플라즈마 상태로 만든 후 핵융합 반응을 일으켜 생산한다.핵융합에너지는 온실가스 및 미세먼지를 방출하지 않는 것은 물론, 핵융합반응을 통한 에너지 대량생산이 가능하고 바닷물을 활용하기에 무한한 에너지 자원이라는 특징이 있다.문제는 플라즈마 이온온도 1억도가 현재 이론상 핵융합 반응이 효과적으로 발생하는 필수 운전조건인데, 여기에 도달하거나 연속적으로 유지하기가 매우 어렵다.때문에 KSTAR와 같은 핵융합 장치 내부에 연료를 넣고 핵을 구성하는 이온과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 만든 후, 이온온도를 1억도 이상 초고온으로 가열하고 유지할 수 있어야 하는 것이다.(사진=핵융합연구소)다른 나라의 핵융합 장치들은 순간적으로 1억도 이상 초고온 플라즈마를 달성하는 데는 성공했지만, 이를 10초 이상 유지하는 벽을 넘지 못했다.세계가 핵융합 연구에 집중하는 이유는 에너지량이 엄청나서다. 핵융합 발전을 위한 100㎏의 중수소와 3t의 리튬으로 300만t의 석탄과 맞먹는 에너지를 낼 수 있다. 원자력 발전과 비교해도 에너지 효율이 7배나 높다. 게다가 핵융합로에선 비교적 안전 관리가 용이한 중저준위 폐기물만 발생한다.강한 방사능 때문에 수만년 이상 깊은 지하에 보관해야 하는 고준위 폐기물 걱정을 안 해도 된다. 연구진은 1억도 플라즈마 유지 시간을 오는 2025년까지 5분으로 늘려 기술의 완성도를 끌어올릴 계획이다.유석재 핵융합에너지연구원장은 “목표가 달성되면 365일 지속적인 운전이 가능하다는 의미”라고 말했다. 세계 과학계에선 한국과 미국, 유럽, 러시아 등이 참여해 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)가 완공돼 2025년부터 기술 검증이 시작되면 2050년대 이후 핵융합 상용화 시대가 열릴 것으로 기대하고 있다.
핵융합에너지 개발을 위한 전문 연구기관인 한국핵융합에너지연구원(원장 유석재)이 20일 독립연구기관으로 새롭게 출범했다.인류의 미래 에너지원으로 기대되는 핵융합에너지 개발을 위한 전문 연구기관인 한국핵융합에너지연구원(원장 유석재)이 20일 독립연구기관으로 새롭게 출범했다.초대 원장으로 선임된 유석재 원장은 이날 오전 화상회의 시스템을 활용해 진행된 비대면 취임식을 갖고 기관의 새로운 출발과 도약을 다짐했다.유 원장은 취임사를 통해 “대외적으로 글로벌 탄소 중립화 대응에 따른 ‘에너지 전환정책’과 포스트 코로나19 대응에 따른 ‘한국판 뉴딜 정책’에 부합하는 청정하고 안전한 미래 에너지원 확보의 대안으로 핵융합에너지 개발에 대한 비전 제시의 필요성이 점점 증대하고 있다”며 “독립법인 연구원으로 승격과 함께 이에 효율적으로 대응할 수 있는 전략 수립이 필요할 때”라고 강조했다.한국핵융합에너지연구원은 1996년 1월 한국기초과학지원연구원의 핵융합연구개발사업단으로 시작해, 2005년 10월 기초지원(연) 부설기관인 국가핵융합연구소로 설립됐다.세계 최고 수준의 핵융합 연구시설인 초전도핵융합연구장치 KSTAR를 국내 기술로 2007년 완공해 운영하고 있으며, 핵융합에너지 개발을 위해 국제 공동으로 추진하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 공동개발사업의 국내 전담 기관의 역할을 수행하는 등 국내 핵융합 연구를 이끌어왔다.이후 세계적으로 핵융합에너지 개발의 중요성이 높아지고, 안정적인 핵융합 연구·개발(R&D)을 위한 전문 연구기관의 설립 필요성이 지속적으로 대두되면서 지난 5월 국가핵융합연구소를 ‘한국핵융합에너지연구원’으로 승격하는 내용을 담은 ‘과학기술분야 정부출연연구기관 등의 설립·운영 및 육성에 관한 법률 일부개정안’이 공포됐다.한국핵융합에너지연구원은 독립연구기관으로서의 새로운 출발을 대내외에 알리기 위해 오는 27일 정병선 과학기술정보통신부 제1차관 등이 참석하는 가운데 ‘한국핵융합에너지연구원 개원 기념식’을 개최할 예정이다.
국가핵융합연구소가 운영중인 초전도핵융합장치(KSTAR).(사진=국가핵융합연구소 제공)핵융합기술은 인류 최대의 기술이 축적된 프로젝트이며, 세계에서 추진하는 프로젝트중 가장 큰 규모의 ITER (국제핵융합 실험로사업) 사업이다.ITER 사업은 핵융합에너지 개발을 위해 4개국이 힘을 모은 역사상 최대 규모의 국제공동연구로 시작했다.초기 참여 나라는 미국, 유럽연합, 일본, 러시아 4개국이었으며 2019년 현재 한국, 중국, 인도가 포함되어 총 7개국이 프로젝트에 참여하고있으며, 핵융합기술은 한마디로 인공태양을 만드는 꿈의 에너지 이다.우주를 지탱하는 자연적인 원천 에너지와 같다. 핵융합 에너지는 고갈될 염려가 없어 무한한 자원을 제공하며 무엇보다 방사능 물질의 양이나 방사선이 나오는 기간은 현재 원자력에 비하면 무시해도 좋을 정도로 적고 짧아 핵융합 에너지는 환경친화적이다.원자력 발전소의 방사능 누출과 같은 대형 사고가 발생할 염려도 없다. 때문에 1980년대 후반부터 IAEA(국제원자력기구) 의 지원 아래 미국, 유럽연합, 일본, 러시아가 공동협력하여 연구를 진행해왔다.ITER 에 참여하는 국가는 영원불멸의 핵융합 에너지 개발로 세계 패권국가를 꿈꾸고 있다.◇2003년 한국 'KSTAR' ITER 가입 성과KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 1995년에 개발에 착수하여 2007년 개발이 완료된 대한민국이 독자개발에 성공한 한국형 핵융합연구로 이다.현재 가장 많이 쓰이는 방법은 도넛 형태의 자기장 안에 플라스마를 가두는 ‘토카막 방식’이다. KSTAR도 이 방식을 채택하고 있다.플라스마 입자들은 전하를 띠고 있기 때문에 자기장 안에 들어가면 자기력선 주변을 뱅뱅 돌며 밖으로 도망가지 못한다.플라스마를 잡는 기술을 해결하고나니 다른 문제가 발생했다. 자기장을 만들기 위해 넣은 전자석이 전기저항 때문에 엄청난 열을 내뿜는 탓에 핵융합로를 오래 가동할 수가 없는 것이다.지금까지 나온 핵융합로는 20~30초 가동하고 냉각수 흘려주며 20~30분씩 쉬어야 했다. 에너지 손실이 많이 발생했던 것이다.KSTAR연구팀은 초전도 자석을 이용해 이 문제를 해결했다. 저항이 0인 초전도 자석은 에너지 손실 없이 플라스마를 가두기에 딱 좋은 효과를 만들어냈다.단 극저온에서만 작용해 상용화가 어려웠다. KSTAR연구팀은 수백가닥의 초전도 선을 꼬아 자석을 만들고, 선 사이의 아주 미세한 틈을 진공 상태로 유지한 채 영하 268.5℃의 액체 헬륨을 주입해 세계 최초로 초전도 자석만으로 플라스마를 담는 ‘용기’를 만드는 데 성공했다그때 등장한 것이 우리나라의 'KSTAR'였다. 한국 차세대 초전도 핵융합연구장치를 완공하여 최초 플라스마 발생에 성공시킨 것이다. '구리'를 써 상용화에 실패했던 일본과 달리 우리나라는 '초전도체'를 사용하여 토카막 장치 개발에 성공하였고, 때문에 상용화에도 문제가 없었다.80년대, 대한민국이 ITER에 가입하고자 했을 때에는 미국, 일본 등은 한국의 가입을 거부했었다. 기술력도, 자금력도 자기들과 견주었을 때 약해 보였던 것이다.한국 연구진들은 단독으로 연구 개발에 들어갔다. 열악한 환경 속에서 불과 12년만에 대한민국 연구진은 성과를 내었다.국제원자력기구의 지원과 20개 이상의 대학과 40개 이상의 산업체들도 적극적인 협조를 받으며 수십년간 연구에 매진한 미국, 유럽, 일본, 러시아도 하지 못한것 이다.이후 대한민국은 ITER에 초청을 받았고, 한국의 독자기술이 없으면 ITER 사업 자체를 진행할 수 없기 때문이다.80년대에만 하더라도 미국, 일본등에게 가입 거부를 당했던 우리나라가, 다른 방식도 아닌 '초청'으로 모셔지며 ITER 가입국이 된 것이다. 특히 이 분야에서 현대중공업과 두산중공업이 독보적인 기술력을 확보하였다.핵융합 핵심 장치로 꼽히는 초전도체, 극저온진공용기, 진단장치, 열차폐체 등 10개 품목의 기술력을 보유 중이며 현재 미국, 일본, 중국, 인도, 러시아와 동등히 ITER 지분 중 9%를 확보 중이다.대한민국은 ITER 프로젝트와는 별개로 단독적인 프로젝트를 꾸준히 수행하여 ITER가 2050년을 목표로 하는 상용발전소를 무려 15년이나 앞당겨 2021~2035년에 세계 최초로 상용 한국형 핵융합발전소를 건설하는 계획을 세우고 있다.◇2017년 중국 인공태양 100초 유지 성공2017년 중국의 과학자들이 태양의 핵심보다 10배 높은 온도의 플라즈마를 만들어 100초이상 안정적으로 유지하는데 성공했다고 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.중국과학원은 성명을 통해 안후이(安徽)성 허페이(合肥)시에 있는 토카막(Tokamak) 시설에서 101.2초 동안 이 같은 실험을 했다고 밝혔다. 한국의 국가핵융합연구소가 작년에 세운 세계 기록인 72초를 뛰어넘는 것이다.중국과학원은 이번 실험은 돌파구라며 핵융합기술 연구에서 세계적인 리더로서의 위상을 공고히 할 것으로 기대했다. 실험용 핵융합 발전소를 짓는 데 기초가 될 것이라는 게 중국과학원의 설명이다.핵융합은 태양이 에너지를 내는 원리인 핵융합 반응을 이용한다 해서 ‘인공태양’으로도 불린다. 수소와 같은 원자핵들이 합치는 과정에서 1억도 이상에 이르는 초고온의 열을 발산하는데 이 열을 느리고 통제가능한 수준으로 발산하도록 하기 위해 핵융합 반응을 통제하는 게 난제였다.초고온의 플라즈마를 토카막에 넣고 장기간 운전하고 안정화 시킬 수 있는 기술이 핵융합 연구의 핵심인 것이다.칭화대의 정스(曾?) 교수가 “일부 연구자들이 인공태양을 만드는 데 낙관적이지만 이번 실험은 단지 초 단위로 진행됐을 뿐으로 수십년간 지속적으로 작동해야하는 발전소를 짓는 단계까지는 갈 길이 여전히 멀다”고 지적했다.중국은 최근 수년간 핵융합 연구에 다른 어느나라보다 더 많은 투자를 하고 있다고 SCMP는 전했다. 다른 나라들이 핵융합 연구 규모를 줄이거나 중단하고 있는 것과 대조된다는 것이다.이번 실험은 국가발전개혁위원회 과학기술부 중국과학원 국가자연과학기금위원회 등이 공동 지원하는 연구의 일환으로 진행됐다.◇2014년 미국 록히드마틴社 10년내 미니핵융합 개발선언국가핵융합 연구소 2018년 발표자료에 의하면 미국의 방위산업체인 록히드마틴(Lockheed Martin)이 트럭 정도의 작은 핵융합 원자로를 개발하고 있다고 밝혔다.록히드 마틴의 연구관계자는 1년 내 실험을 마치고,5년 이내에 원형 모델을 만들겠다는 구체적인 계획도 발표했다. 록히드마틴은 F-16 등 군용항공기 개발로 유명한 미국의 3대 항공우주산업체 이다.초소형 핵융합로를개발하는 록히드마틴의 스컹크웍스그룹 (사진=lockheedmartin.com)100MW의 전기 생산이 가능한 소형 핵융합로를 개발해 잠수함 및 항공모함 등의 동력원으로 활용하겠다는 계획이며, 군사무기를 만들던 회사가 갑자기 핵융합 발전에 대해 언급했다는 사실도 놀랍지만, 이렇게 짧은 시간 안에 상용화를 계획하고 있다는 소식이다.하지만 록히드마틴사는 그동안 비밀프로젝트로 운영되던 핵융합로 개발 프로젝트를 공개하고 여러 기관이나 연구자들과 공동연구를 하겠다고 발표했지만, 명확하게 어떠한 방식의 핵융합로를 개발하는지는 발표하지 않았다.◇일본, 2017년 핵융합발전 1억2천만도 근접 성공일본 자연과학연구기구인 핵융합과학연구소는 2017년7월 물질끼리 융합하는 핵융합(Nuclear Fusion)반응으로 생기는 에너지를 이용한 발전의 실현을 목표로, 핵융합발전의 실용화에 필요한 1억 2천만 도에 접근, 1억 도를 넘는 고온의 플라즈마를 만드는 데 성공했다고 발표했다. 일본 핵융합과학연구소는 대형 헬리컬 장치(LHD=Large Helical Device)로 불리는 높이 약 9미터, 지름 약 13.5미터의 실험 장치에서 수소 등을 가열해 플라스마를 생성한다.일본 핵융합과학연구소는2019년 중수소 플라즈마 실험에서 이온의 온도를 1억2천만도로 유지한 상태에서 전자온도를 6천400만도까지 올리는 데 성공했다고 발표했다.일본은 지난 2013년에 발전소를 이용한 실험에서 9천 400만도를 달성한 적이 있다. 2017년 3월부터는 더 높은 고온상태를 만들어 내는 중수소를 이용한 실험을 시도해왔으며, 4월에는 처음 1억 도를 넘어서는 결과를 얻었다.핵융합과학연구소의 모리 사키 도모히로(森崎友宏) 대형 헬리컬장치계획연구 총주간은 “목표 온도의 달성을 위해서 모든 연구원들이 심혈을 기울여 왔으며, 그 결과로 중수소 실험의 성과가 꾸준히 나오고 있다”고 말했다.
(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 필요첫번째 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 사업참여오늘날 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.
(자료=국가핵융합연구소 이미지합성)핵융합은 고온의 상태에서 가벼운 원자핵들이 융합되어 더 무거운 원자핵이 되는 과정을 말한다. 이때 발생하는 막대한 에너지 또한 그 부산물이다.이는 태양과 같은 항성의 에너지 발생 원리와 동일하다. 인공적인 핵융합은 조그맣고 수명도 짧은 인공 태양을 만드는 작업이라고 할 수 있으며, 열핵폭발의 과정을 느리게 하는 것과 같다.태양에서 나타나는 초고온상태의 수소 핵 간 융합의 원리를 인공적으로 발생시켰다 하여 '인공태양'이라고도 불리고 있다. 아이언맨의 '아크리액터'는 엄청난 출력으로 아이언맨 수트에 동력을 제공하는 역할을 하는것이다.태양은 거대한 가스 덩어리로 이루어져 있으며, 이 가스의 대부분은 수소로, 태양의 중심에서는 계속해서 수소가 헬륨으로 만들어지는 반응이 일어나고 있다. 이것을 우리는 핵융합 반응이라고 하는데 여기서 생기는 많은 양의 에너지 때문에 태양이 빛을 내고 뜨겁게 타오를 수 있는 것이다.◇ 태양은 핵융합반응 의 결정체핵융합 반응이 일어나는 태양의 중심 부분 온도는 대략 1500만 도로 무척 높으며, 기압은 4000억 기압 정도라고 한다. 태양 표면의 온도는 대략 6000도 정도이며, 표면에는 어둡게 보이는 흑점(Sunspot)들이 있다. 흑점의 모양은 둥근 종류가 가장 많고 복잡한 구조를 가진 것들도 많다. 흑점 중에서 가장 큰 것은 지름이 무려 3만킬로미터(지구의 2배 정도)나 된다고 한다. 흑점이 검게 보이는 이유는 이 부분의 온도가 주위에 비해 1000도 가량 낮기 때문이다. 그래도 흑점의 온도는 5000도 정도로 무척 높은 편이다.◇ 핵융합반응-열핵반응 (Thermonuclear reaction)핵융합반응을 열핵반응이라고도 하며, 모든 항성은 열핵반응으로 에너지를 만들어내고 있는 것이다. 수소 원자는 하나의 핵(양 자)을 중심으로 한 개의 전자가 전자운을 형성하여 핵을 싸고 있기 때문에, 다른 입자가 핵에 접근하기란 거의 불가능하다. 즉 보 통 때에는 수소의 핵과 핵이 서로 접근할 수 없으므로 핵이 융합할 수는 더욱 없다.물질 원자의 온도가 100만 도K를 넘으면, 전자가 핵에서 떨어져 나와 전자와 양자가 따로따로 운동을 하게된다. 이와 같은 상태를 '프라스마'라 하며, 이런 상태 하에서 비로소 핵과 핵이 서로 접촉할 가능성은 있으나, 핵 자체가 서로 융합되지는 못한다. 핵융합이 일어나려면 훨씬 높은 온도인 1,000만 도K를 초과해야한다. 온도가 그처럼 높으면 핵의 운동 에너지가 굉장히 크기 때문에 핵과 핵이 충돌을 일켜서 핵융합이라는현상이 나타날 수 있게 된다.◇핵융합은 인공태양을 만드는 기술핵융합은 태양과 별의 에너지원으로 그 발생 에너지가 크기 때문에 미래 에너지원으로 주목되고 있으나 현재까지 학술연구 영역을 벗어나지 못하고 있다. 예를 들면 두 개의 중수소 원자핵이 융합하여 3중수소 또는 헬륨 원자핵이 되는 반응에서는 방출 에너지가 석탄 등의 화석 연료가 방출하는 에너지의 약 100만 배 정도이다.이것은 아인슈타인의 질량과 에너지의 상대성 원리(E=mc2)에 의해 정확히 계산된다. 이 핵연료는 핵분열 반응에 필요한 어떤 물질보다도 풍부하고, 방사성 낙진도 생기지 않을 뿐만 아니라 유해한 방사능도 적다. 이와 같은 핵융합에는 약 1억℃ 이상의 매우 높은 온도가 필요하다. 태양 및 그에 준하는 별들의 에너지 방출은 핵융합에서 생기며, 이런 과정을 응용하여 수소 폭탄이 만들어졌다고 한다.우라늄 또는 플루토늄 핵이 분열하면서 내는 에너지를 이용하는 원자력발전과는 반대되는 물리현상이다. 태양이 빛과 열을 내는 원리와 같아 핵융합장치를 '인공태양'이라 불린다. 핵융합은 바닷물에 풍부한 중수소(2H)와 흙에서 쉽게 추출할 수 있는 리튬을 이용해 생성한 삼중수소(3H)을 원료로 사용, 온실가스나 고준위 방사성폐기물 배출이 없어 미래 청정에너지로 기대를 모으고 있다.
‘찬드라세카상(S. Chandrasekhar Prize)’의 수상자로 前 KSTAR연구센터장이자 현재 연구소 자문위원인 박현거 박사(UNIST 물리학과 교수)가 선정되었다.국내 핵융합 전문가들이 초전도핵융합연구장치 KSTAR를 활용한 연구성과를 바탕으로 국제학술회 수상자로 잇따라 선정되며, 국내 핵융합 연구의 위상을 높이고 있다.국가핵융합연구소(소장 유석재, 이하 핵융합(연))는 아시아-태평양 물리학협회(Association of Asia Pacific Physical Societies) 플라즈마 분과 (Division of Plasma Physics)에서 수여하는 ‘찬드라세카상(S. Chandrasekhar Prize)’의 수상자로 前 KSTAR연구센터장이자 현재 연구소 자문위원인 박현거 박사(UNIST 물리학과 교수)가 선정되었으며, 신진연구자상 (Young reasercher award)에는 KSTAR연구센터 최민준 박사(선임연구원) 가 선정되었다고 10일(목) 밝혔다.찬드라세카 상(S. Chandrasekhar Prize)은 미국물리학회의 ‘맥스웰 상(Maxwell Prize)’, 유럽물리학회의 ‘알벤 상(Hannes Alfvén Prize)’과 더불어 플라즈마 물리학계 3대 학술상으로 꼽히는 최고 권위 상으로, 아시아 태평양 지역에서 플라즈마 물리학 분야의 선도적인 공로를 세운 인물에게 수여되는 상이다.지난 40여 년 동안 핵융합 연구를 수행해 온 세계적 석학인 박현거 박사는 KSTAR에서 혁신적인 플라즈마 관측 방법으로 핵융합 플라즈마 물리 난제 해결에 기여했다는 점을 인정받아, 한국인 최초로 찬드라세카 상(S. Chandrasekhar Prize)의 수상자가 되었다.박현거 박사는 플라즈마의 3차원 영상 측정이 가능한 마이크로파 영상 카메라인 전자영상 진단장치(ECEI)를 세계 최초로 개발하여 KSTAR에 설치한 바 있다.이는 KSTAR 내부의 플라즈마에서 발생하는 자기유체 현상들의 발달과 붕괴과정을 2, 3차원으로 동시에 관찰할 수 있는 새로운 플라즈마 진단방식으로, 국내 연구자들이 핵융합 플라즈마 물리 분야의 난제 해결을 위한 연구성과를 얻을 수 있는 기반이 되어 주었다.박현거 박사는 “찬드라세카 상의 수상자로 선정돼 영광”이라며 “이번 수상으로 KSTAR 장치와, KSTAR 연구센터를 기반으로 한 한국의 핵융합 플라즈마 물리 분야가 세계적으로 주목받을 수 있게 되어 기쁘다”라고 소감을 전했다.신진연구자상을 받은 최민준 박사 역시 박현거 박사가 개발한 플라즈마 진단장치의 데이터를 바탕으로 수행한 연구성과의 우수성을 인정받아 수상자로 선정되었다.최민준 박사는 KSTAR의 전자영상 진단장치(ECEI)를 통해 얻은 전자 온도 데이터를 다각도로 분석하여, 플라즈마 난류에서 발생하는 전자들의 열 수송현상 매커니즘을 규명하는 성과를 얻었다.최민준 박사는 국내 핵융합 전문가 KSTAR 연구로 국제 학술회 수상자로 선정되었다(사진=국가핵융합연구소)이 성과는 2019년 Nuclear Fusion 저널에 게재되어 주목받았다. 또한, 자기유체역학과 난류가 공존하는 상태인 핵융합 플라즈마에서 이 둘 사이에서 일어나는 상호작용을 규명하기도 하였다.최민준 박사는 “KSTAR연구센터의 수평적 연구문화가 연구 활동에 큰 힘이 되었다”며,“아직 미지의 영역이 많은 플라즈마 난류 연구를 꾸준히 수행해 그 이해를 높이는 데 도움이 되고 싶다.”고 소감을 밝혔다.◇ 주요 용어 설명 1) 핵융합 에너지핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵으로 바뀌는 것이다. 원자핵이 융합하는 과정에서 줄어든 질량은 에너지로 변환되는데, 이를 핵융합에너지라 한다. 높은 온도와 중력을 지닌 태양의 중심은 핵융합 반응이 활발히 일어나지만, 지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어 주어야 한다. 바닷물에서 추출 가능한 중수소 및 리튬(삼중수소)을 주원료로 하는 핵융합 발전은 연료가 무한하며, 고준위 방사성 폐기물의 발생이 없고, 폭발 등의 위험이 없는 궁극적인 미래에너지원으로 꼽히고 있다.2) 플라즈마원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있다. 핵융합 장치에서 플라즈마를 만들고 1억도 이상의 초고온으로 가열하면 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에서 지속적으로 핵융합이 일어날 수 있도록 초고온의 플라즈마를 안정적으로 유지하는 것은 핵융합 상용화를 위한 핵심 과제이다.3) KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)’95년부터 ’07년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 초전도핵융합연구장치로 ’08년 최초 플라즈마 발생에 성공하며 운영을 시작했다. 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로ITER와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치이며 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있다. 매년 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 핵융합 플라즈마 실험을 수행하고 있다.4) 전자온도 영상 진단장치(Electron Cyclotron Emission Image[ECEI])자기장에 따라 변하는 전자의 회전 주파수를 분석하여 플라즈마 내의 온도 변화를 측정하고 영상화시키는 진단장치. 3차원 영상 진단장치를 적용하여 입체적인 플라즈마경계면불안정(ELM) 현상을 촬영할 수 있게 되어 ELM의 생성 원인과 과정 등을 보다 효과적으로 분석할 수 있게 됨. KSTAR 거점센터인 UNIST와 POSTECH이 개발하여 현재 세계에서 유일하게 KSTAR에 설치되어 운영되고 있다.