[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 크기의 금 실린더에 전달했다.
에너지 펄스로 인해 캡슐이 붕괴되어 별과 열핵 무기에서만 볼 수 있는 온도가 생성되었고 수소 동위 원소가 헬륨으로 융합되어 추가 에너지를 방출하고 일련의 핵융합 반응을 일으켰다.
실험실의 분석에 따르면 반응은 약 3.15메가줄의 에너지를 방출했는데, 이는 반응에 들어간 에너지보다 약 54% 더 많은 것이며 이전 기록인 1.3메가줄의 두 배 이상 이라고 설명했다.
이 실험은 얼마나 많은 에너지가 방출되었는지와 비교하여 얼마나 많은 에너지가 대상에 들어갔는지에 초점을 맞추는 핵융합 반응에 대한 벤치마크 측정인 점화로 안전하게 평가된다.
그러나 핵융합 반응이 3메가줄 이상의 에너지(목표물에 전달된 것보다 더 많은 에너지)를 생성했을 수 있지만 NIF의 192개 레이저는 그 과정에서 322메가줄의 에너지를 소비했다고 미국 국립연구소가 밝혔다.
로렌스 리버모어 실험실 책임자인 김 부딜은 이 성과를 개념 증명이라고 설명했다. 그녀는 워싱턴 DC에서 열린 기자 회견에서 "우리가 NIF를 그리드에 연결할 것이라는 느낌을 주고 싶지 않습니다. 그것은 확실히 이것이 작동하는 방식이 아닙니다."라고 말했다. "그러나 이것은 관성 제한 핵융합 전원 체계의 기본 구성 요소입니다."라고 부연 설명했다.
MIT 플라즈마 물리학자인 앤 화이트 교수는 그럼에도 불구하고 "핵융합 에너지에 초점을 맞춘 NIF 실험은 상용 핵융합 전력으로 가는 길에서 절대적으로 가치가 있습니다"라고 말했다.
핵융합 발전을 위해선 핵융합 반응이 연쇄적으로 일어나야 하는데 NIF 시설은 한 번에 한 건의 핵융합 반응을 일으키는 것만 가능했다.
이 연구의 목표는 핵융합 (태양에 동력을 공급하는 현상)을 활용하여 지구에 거의 무한한 청정 에너지원을 제공하는 것이다.
인공태양이라 불리우는 핵융합은 두 개 이상의 원자가 하나의 더 큰 원자로 융합될 때 발생하며 엄청난 양의 에너지를 열로 생성하는 과정이다. 전 세계적으로 전력을 공급하는 핵분열과 달리 수명이 긴 방사성 폐기물을 생성하지 않는다.
◇한국 핵융합 기술 어디까지 왔나
한국핵융합에너지연구원의 KSTAR 연구본부는 올해 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합발전의 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마 운전을 30초간 유지하는 데 지난 7월 성공했다.
국내 연구진이 연구 장치에서 인공태양을 구현해 1억℃ 이온온도 기준 세계 최장 기록이다. 핵융합 발전소를 가동하려면 100초 운전이 최소 기준인데, 연구진은 향후 2-3배 여유도를 둔 300초 운전을 달성하겠다는 목표다.
핵융합에너지 분야는 아직 어느 나라도 주도권을 갖지 못했다. 우리나라를 비롯해 유럽연합(EU)과 러시아, 미국, 일본, 인도, 중국 등이 참여해 국제핵융합실험로(ITER)를 공동 건설하며 핵융합에너지 구현에 속도를 내고 있다. 국제 사회에서 한국 연구진은 선두권 그룹으로 평가된다.
◇국제핵융합실험로(ITER)
ITER은 프랑스 카다라슈에 토카막 핵융합 장치를 건설하는 주요 국제 프로젝트로, 대규모 무탄소 에너지원으로서 핵융합의 타당성을 입증하기 위해 설계되었다. ITER의 목표는 50MW의 플라즈마 가열 전력 입력으로 500MW(최소 400초 연속)에서 작동하는 것이 목표다.
35개국이 ITER 건설을 위해 협력하고 있다. 유럽 연합은 건설 비용의 거의 절반을 부담하고 나머지 6개 회원국(중국, 인도, 일본, 한국, 러시아 및 미국)은 나머지에 균등하게 기여하고 있다.
건설은 2010년에 시작되었고 원래 2018년 첫 플라즈마 목표 날짜는 2016년 ITER 위원회에 의해 2025년으로 변경되었다. ITER은 2021년 11월 헬륨 테스트에서 2020년에 인도된 진공 용기 열 차폐 요소에서 누출이 발생했다.
이로 인해 "응력 부식 균열"이 발생했으며, ITER은 지난 7월에 일정을 변경해야만 했고 2025년 에는 첫 번째 플라즈마를, 2035년에 중수소-삼중수소 작업을 시작 예정이지만 여러 난관이 발생하여 일정이 연기되고 있는 실정이다.