[디지털비즈온 이호선 기자] 핵융합에너지는 태양이 에너지를 만들어내는 '핵융합' 반응을 인공적으로 구현해 에너지를 만드는 방식이다. 핵융합에너지 연료는 바닷물로 고갈 염려가 없고, 에너지 효율이 다른 에너지에 비해 월등히 높다. 온실가스 주범인 이산화탄소도 없다. 핵융합 에너지를 '꿈의 청정에너지'라고 부르는 이유다.

핵융합 원자로는 수소원자를 융합하여 헬륨을 생성하고 열의 형태로 에너지를 방출함으로써 이 과정을 복제하는 것을 목표로 한다. 이를 대규모로 유지하면 안전하고 깨끗하며 거의 고갈되지 않는 무한대의 전원을 생산할 수 있다.

EUROfusion 컨소시엄의 연구원들은 5초 동안 지속된 폭발로 기록적인 59MJ(메가줄)의 융합 에너지를 발표했다고 외신들이 소개했다.

이는 1997년 같은 시설에서 세운 이전 21.7MJ(메가줄) 기록의 거의 세 배에 달하는 것이며, 그 결과는 '25년 만에 안전하고 지속 가능한 저탄소 에너지를 전달하기 위한 융합 에너지의 잠재력에 대한 가장 명확한 시연'으로 확인되었다.

EU 등 35개국이 공동으로 건설 중인 ITER은 역사상 가장 복잡한 기계 중 하나인 이 기계는 2025년에 첫 플라즈마 생성을 시작하여 2035년경에 고출력 작동에 들어갈 예정이었지만 참여 연구원들은 코로나 전염병으로 지연되었다.

◇희귀물질 삼중수소 ‘핵융합에너지’ 연료

과학저널 Science에 의하면, 2020년에 캐나다 원자력 연구소는 충격을 흡수하기 위해 코르크가 늘어선 5개의 강철 드럼을 영국의 대형 핵융합로인 JET(Joint European Torus)에 전달했다. 각 드럼 안에는 콜라 캔 크기의 강철 실린더가 들어 있었고, 수소가스 10g이 들어가 있다.

이것은 일반 수소가 아니라 두 개의 중성자와 양성자가 핵에 붙어 있는 희귀 방사성 동위 원소 삼중수소로 그램당 30,000달러에 이른다. 삼중수소가 고온에서 형제 중수소와 결합하면 두 가스가 태양처럼 타오른다.

반감기가 12.3년인 삼중수소는 우주선의 충돌로 인해 상층 대기에 자연적으로 미량으로 존재한다. 원자로는 소량을 생산하지만 이를 수확하는 사람은 거의 없다.

핵융합 반응기는 일반적으로 핵융합을 위한 적절한 조건이 이온화된 가스 플라즈마의 가장 뜨거운 부분에서만 발생하기 때문에 대규모 시작 삼중수소 공급이 필요하다.

이는 도넛 모양의 원자로 용기 또는 토카막에 있는 삼중수소가 거의 연소되지 않는다는 것을 의미한다. 연구원들은 ITER이 주입된 삼중수소의 1% 미만을 태울 것으로 예상하고있다. 나머지는 토카막의 가장자리로 확산되고 재활용 시스템으로 휩쓸려 배기 가스에서 헬륨과 기타 불순물을 제거하여 DT의 혼합물을 남게된다.

이전에는 벽이 탄소로 만들어졌지만 이것은 핵융합 반응에 사용되는 두 개의 무거운 동위원소 또는 변형된 수소인 중수소와 삼중수소의 연료 혼합물에 너무 반응성이 큰 것으로 판명되었다. 이로 인해 탄화수소가 형성되어 삼중수소 연료가 벽에 갇히게 되는 결과를 초래했다.

16,000개의 부품과 4,000톤의 금속이 포함된 재건축에서 탄소는 삼중수소 보유를 줄이기 위해 베릴륨과 텅스텐으로 대체되었다, 결국 팀은 갇힌 연료의 양을 크게 줄일 수 있었고 최근의 핵융합 발사 성공에 기여했다.

유럽 ​​전역의 4,800명의 전문가, 학생 및 시설로 구성된 주요 컨소시엄인 EUROfusion 프로젝트 의 프로그램 관리자인 토니도네(Tony Donné) 교수는 JET(Joint European Torus)의 결과가 주요 랜드마크라고 말했다.

토니도네 교수는 “JET는 이제 핵융합이 가능성을 보여주었다. ITER는 그것이 더 실현 가능하다는 것을 보여줘야 하고, DEMO는 그것이 실제로 작동한다는 것을 보여줘야 할 것이며,” “DEMO가 2050년경에 가동되는 것이 현실적이라고 생각한다.”고 말했다.

“그러나 핵융합을 시작하고 실행하는 과정에서 극복해야 할 다른 주요 과제가 있습니다. 특히 중수소는 해수에 풍부하지만 삼중수소는 극히 드물고 생산하기 어렵운 과정이다.“ 라고 덧붙였다.

◇한국도 삼중수소 보급 어려워

한국핵융합에너지연구원은 2035년까지 삼중수소 생산 기술 확보를 위해 2025년부터 ‘리튬 브리딩 블랭킷(Lithium breeding blanket)’ 연구를 본격적으로 시작할 계획이라고 지난 2020년 11월 26일 밝혔다. 우리나라 핵융합 발전의 기술 수준이 세계 선두를 달리고 있지만 실제 전기 생산의 재료가 될 삼중수소를 자체 생산해내지 못하면 경쟁에서 뒤처질 수 있기 때문이다.

2035년은 국제핵융합실험로(ITER)를 통해 실제로 대규모 핵융합 발전이 가능하다는 사실이 검증될 것으로 예상되는 시점이다. ITER를 중심으로 뭉쳤던 나라들은 이때를 기점으로 상용화를 향한 ‘개인전’에 돌입하게 된다. 우리나라도 이 시기에 실제로 전기를 생산하고 발전 성능과 경제성을 검증할 시범 발전소 ‘데모(DEMO)’를 가동할 계획이다. 현재는 쉽게 구할 수 있는 중수소로 실험하고 있지만, 실제 발전 단계부터는 삼중수소가 필요해진다.

문제는 삼중수소가 자연에 거의 존재하지 않고 대량 생산할 방법도 아직 없다는 것이다. ITER에 따르면 800메가와트(MW)급 핵융합 발전소 1개를 돌리기 위해서는 하루에 300g의 삼중수소가 필요한 반면, 현재 전세계 통틀어 사용 가능한 삼중수소의 양은 20kg 정도로 추정된다.

현재 우리나라는 ‘한국형 초전도핵융합연구장치(KSTAR)’를 통해 핵융합 반응이 일어나기 위한 조건인 ‘1억도 플라즈마 환경’을 세계 최초이자 최장기록인 20초간 유지하는 데 성공, 세계 최고 기술력을 입증했다. 경쟁력을 유지하기 위해서는 삼중수소 생산 기술 확보가 필요한 것이다.

국제열핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)는 국제 토카막 실험로로, 1988년에 ITER이 공식 출범했다. 초기 참여국가는 미국, 러시아, 유럽연합, 일본으로 구성되었으며, 한국과 중국이 2003년, 인도가 2005년에 참여하여 7개국이 ITER를 프랑스 카다라쉬에서 건설중이다. 이 계획은 30년을 지속할 것으로 예상되며, 초반 10년은 건설에, 20년간 가동에 사용된다.