국내 핵융합 발전 어디까지 왔나

맑은 가을 밤하늘은 별을 관찰하는 데 최적의 조건을 제공한다. 밤하늘을 수놓는 별들은 태양처럼 뜨겁게 타고 있는 항성이다. 몇 백 광년 떨어져 있는 아름다운 별들의 내부에서는 수소 같은 가벼운 원자들이 결합해 무거운 헬륨 원자핵을 만들어 내는 ‘핵융합 반응’이 끊임없이 일어나고 있다. 두 개의 원자가 하나의 원자로 만들어지는 과정에서 질량이 줄어드는 만큼 에너지가 외부로 방출되는데, 이것이 바로 ‘핵융합 에너지’다. 태양도 핵융합 반응을 일으키며 빛과 열을 발산하고 있다. 현재 태양빛의 세기는 초당 약 6억t의 수소가 핵융합 반응을 일으키며 타고 있는 것으로 추정되는데 이런 강도의 빛을 계속 낼 수 있다고 가정할 경우 태양은 앞으로 100억년 이상 우리 곁에 있을 것으로 보인다.

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대덕연구단지 내 국가핵융합연구소에 설치된 토카막 방식의 핵융합연구장치 ‘KSTAR’. 국가핵융합연구소 제공.

●같은 듯 다른 핵융합과 원자력

우리가 알고 있는 원자력 에너지는 핵분열 반응으로 발생하는 에너지를 이용해 물을 끓여 증기를 만들고, 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 얻는다. 물을 끓이기 위한 에너지원 공급 방식이 화력 발전에서는 보일러 내 화석연료의 연소 반응이지만, 원자력 발전에서는 원자로 내에서 방사성 동위원소의 핵분열 반응이다.

핵융합 에너지는 두 종류의 수소 동위원소를 합쳐 새로운 물질을 만들어 낼 때 나오는 에너지를 이용해 물을 끓여 증기를 만들고 발전기를 돌린다는 점에서만 다를 뿐이다. 사실 화력 발전, 원자력 발전, 핵융합 발전 모두 쓰이는 연료만 다를 뿐 전기를 얻는 방식은 같은 ‘이란성 삼둥이’인 셈이다.

지구는 태양처럼 핵융합 반응이 쉽게 일어날 수 있는 초고온·초고압 상태가 아니다. 현재 지구 상에서 핵융합 반응을 일으키기에 적합한 물질은 수소 동위원소인 ‘중수소’와 ‘삼중수소’다. 중수소는 바닷물 1㎥당 30g 정도 추출할 수 있으며, 삼중수소는 자연적으로는 존재하지 않지만 리튬에서 뽑아낼 수 있다.

중수소와 삼중수소 원자를 단지 같은 공간에 넣어 둔다고 해서 저절로 융합 반응이 일어나지는 않는다. 같은 양전기를 띠고 있는 두 물체는 서로 밀어내는 힘이 있는데 외부에서 이 힘을 뛰어넘는 힘을 가해 강제로 융합 반응을 일으켜야 한다. 서로 밀어내는 힘을 넘어서 핵융합을 일으키기 위해서는 1만eV(전자볼트)의 에너지, 온도로 환산하면 1억도 이상이 필요하다. 고온의 상태에서 핵융합 반응이 발생하면 고체나 액체, 기체 상태가 아닌 원자핵 이온(양전자)과 전자(음전자)가 분리된 제4의 물질상태인 플라스마 상태가 된다. 번개나 오로라, 형광등, 네온사인 등의 내부가 바로 플라스마 상태다.

●자기장으로 플라스마를 가둔다

번개를 보더라도 자연 상태에서는 플라스마가 오래 지속될 수 없다. 주위의 다른 물질과 반응해 중성의 기체 상태로 돌아가버리기 때문이다.

핵융합 반응을 통해 에너지를 얻기 위해서는 진공 상태의 용기인 핵융합 장치에 핵융합 연료를 넣고 1억도 이상의 초고온 상태로 만들어야 한다. 이렇게 만들어진 플라스마가 오래 지속될 수 있도록 하는 기술이 핵융합 발전의 핵심이다. 또 높은 온도의 플라스마가 핵융합장치 벽에 닿으면 순식간에 녹아내릴 수 있기 때문에 플라스마가 벽에 닿지 않도록 하는 것도 필요하다.

플라스마 상태에서 원자핵 이온과 전자의 전기적 성질을 이용해 진공용기 속에 촘촘히 자석을 배열해 벽에 닿지 않고 핵융합 반응이 일어나도록 하는 방법이 있다. 이런 방식을 ‘자기 핵융합’이라고 부른다.

또 핵융합 연료인 중수소와 삼중수소를 작은 구슬 속에 압축해 넣은 다음 사방에서 고출력 레이저 빔으로 가열하면 순간적으로 초고온·초고압 상태가 만들어지면서 핵융합 반응이 발생하며 폭발한다. 이 때 나오는 에너지를 얻는 방식이 ‘관성 핵융합’인데, 이는 수소폭탄에서 주로 사용되는 방법으로 발전소처럼 연속적으로 일정한 에너지가 나오도록 조절하기 힘들다는 문제가 있다.

●가장 주목받고 있는 장치는 토카막

현재 지구상에서 인공태양을 만들기 위한 방법 중 가장 실용화에 근접한 방식은 초고온의 플라스마를 자기장을 이용해 가두는 ‘토카막’이란 장치를 이용하는 것이다.

토카막은 ‘토로이드 자기장 구멍’이란 뜻의 러시아어 합성어로 1950년대 초반 당시 소련의 물리학자들이 제안한 방식이다. D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라스마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정된 상태를 유지하도록 만들어 주는 장치다. 현재 작동 중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로 대부분이 토카막 방식일 정도로 핵융합 분야에서는 일찍이 우수성을 인정받아 온 기술이다. 대전 국가핵융합연구소가 2007년 9월 완공해 2008년 7월부터 가동하고 있는 차세대 초전도핵융합연구장치 ‘KSTAR’도 토카막 방식으로 운용되고 있다.

핵융합 발전을 위한 연구가 계속 진행되고 있지만 상용화를 위해 풀어야 할 숙제도 많다. 대표적인 것이 ▲핵융합 발전 출력을 높이기 위한 고성능 플라스마의 장시간 유지 기술 ▲초고온 플라스마 상태에도 견딜 수 있는 핵융합로 재료 기술 ▲핵융합 반응을 전기에너지로 전환하는 동력 변환 기술 ▲플라스마 제어기술 등 네 가지 정도다.

국제핵융합실험로 공동개발사업을 주관하는 국제기구인 ITER의 이경수 기술총괄 사무차장은 “핵융합 상용화를 위해서는 플라스마 상태를 장시간 유지하도록 만드는 것과 플라스마를 제어하는 기술이 핵심”이라며 “2019년 완공을 목표로 하는 ITER이 본격 가동되기 시작하면 핵융합 발전 상용화를 가로막고 있는 다양한 어려운 문제들을 해결할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr