'친환경에너지'에 해당되는 글 1건


 차세대 에너지, 핵융합에서 그 답을 찾다

 

1. NFRI

석유는 지난 200년간 세상의 발전을 이끌어온 중요한 자원이다. 하지만 석유가 바닥을 드러내면서 ‘석유 시대’는 이제 내리막길을 달리고 있다. 과거 몇 달러도 안하던 석유의 가격이 현재 배럴당 100달러 이상 도달했다는 것이 그 증거다. 이러한 상황을 타파하기 위해 차세대 에너지인 핵융합이 주목받고 있다.

2. 핵융합에너지와 원자력에너지 발생원리

핵융합에너지의 모태는 인공태양이다. 태양과 같이 스스로 빛을 내는 별들은 핵융합반응을 통해 에너지가 발생한다. 별들의 중심은 1억 도 이상의 초고온 플라즈마 상태인데, 이러한 상태에서는 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 일어난다. 이 때 발생하는 에너지를 우리는 핵융합에너지라고 부른다.
그러나 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 연료를 태양보다 더 뜨거운 1억도 이상으로 가열해야 하는데 이렇게 뜨거운 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 물질은 지구상에 존재하지 않는다. 핵융합 연구는 바로 이 용기를 만드는 문제에서 출발했고, 이렇게 까다로운 조건 속에서 만들어진 것이 KSTAR와 같은 핵융합 장치이다.

3. 토카막의 원리

몇 가지 핵융합장치의 종류 중에 국제적인 노력으로 현재 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 도넛 모양의 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 토카막을 구성하는 초전도 자석은 자기장을 형성해 진공용기 내에 초고온의 플라즈마를 안정적 상태를 유지하도록 제어한다. 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대 처음 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후, 세계적으로 그 우수성을 인정받아 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

4. 1980년대 개발된 KAIST 토카막


5. KSTAR

우리나라에서는 1980년대 서울대 원자핵공학과에서 SNUT-79라는 국내 최초의 토카막 장치를 만들어 핵융합 연구를 시작했다. 그 뒤 1995년 국가에서 핵융합 기본개발계획을 수립하고 기초과학지원연구원의 부설기관인 국가핵융합연구소를 중심으로 'KSTAR'라는 토카막형 초전도 핵융합연구장치를 2007년 완공해 본격적으로 핵융합 연구에 뛰어들었다.
KSTAR는 신소재 초전도 자석으로 만들어져, 그 기술력을 세계에서 인정받고 있으며, 그 결과 현재 한국은 미국, 러시아, 유럽공동체(EU), 일본, 중국, 인도가 참여하는 국제공동 핵융합 연구장치인 ‘ITER’건설의 선두주자로 나서고 있다.

6. 핵융합에너지의 특징

최근 후쿠시마 원전사고 이후 핵에너지에 대한 우려가 확산되고 있다. 하지만 핵융합에너지는 핵분열의 원리를 활용한 원자력 에너지와는 달리 연료 공급장치가 외부에 있어 안전하다. 핵융합반응이 일어나는 초고온의 플라즈마는 유지하기 위한 조건이 매우 까다로워, 사고가 일어날 경우 플라즈마는 더 이상 유지되지 못하고 즉시 소멸된다. 작동 역시 바로 멈추기 때문에 안전성과 방사능 누출에 대한 걱정이 없다. 또한 핵융합 에너지에서 나오는 방사능 폐기물의 독성도는 수십년만 지나도 화력발전에서 나오는 석탄재 독성도보다 현저하게 낮아진다.
이렇듯 핵융합 에너지의 가장 큰 장점은 친환경 에너지라는 점이다.

핵융합으로 얻는 에너지는 상당히 크다. 중수소와 삼중수소 1g을 융합할 경우 1만ℓ의 중유를 태운 것과 같은 열량을 낼 수 있다. 바닷물 1L에 들어있는 0.03g에 중수소를 이용하면 서울과 부산을 자동차로 3번 왕복할 수 있고, 바닷물을 일반 욕조의 반 정도인 45L만 이용하면 일반 가정집의 80년 분량의 전기를 얻을 수 있다. 또한 핵융합 반응은 원자력의 원리인 핵분열반응보다도 핵자 당 결합에너지가 4~6배의 효율을 보인다.

7. 핵융합연구소의 고미상 담당자

하지만 현재 핵융합 발전의 상용화까지는 가야할 길이 많이 남아있다. 핵융합 발전이 상용화된다면 인류의 에너지 문제를 근본적으로 해결할 수 있지만, 아직 해결해야하는 여러 난제들이 남아 있어 앞으로 수십 년의 연구가 계속되어야 한다. 이를 위해서는 장기 프로젝트인 핵융합 연구 사업을 체계적으로 진행하는 것이 중요하므로, 우리나라에서도 ‘핵융합에너지개발 진흥계획’을 바탕으로 정부차원에서의 전략적인 핵융합 연구 개발을 수행하고 있다.
핵융합연구소의 고미상 담당자는 인터뷰 당시 "우리와 같이 뒤늦게 핵융합 연구를 시작한 중국의 경우 월등히 많은 수의 핵융합 연구자를 보유하고 있어 보다 많은 실험을 수행할 수 있기 때문에 빠른 속도로 발전하고 있다.“며, ”우리나라는 핵융합장치 건설에서 뛰어난 기술력을 가지고 있지만, 아직 핵융합연구자의 수가 많지 않아 인력양성 등에 더욱 노력이 필요하다.“ 라고 밝혔다. 
우리나라는 2040년대 핵융합 상용화를 목표로 하고 있으며, KSTAR는 최종목표 300초 가동 달성을 통해 장시간 플라즈마 운전 기술을 확보하여 상용화에 기여하게 된다.

KSTAR를 활용한 핵융합 연구 성과를 통해 핵융합 상용화를 이루고 과연 한국이 에너지 수입국에서 수출국으로 변화할 수 있을지, 그 미래가 사뭇 기대된다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 박 인 환
사진 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 하상윤, 국가핵융합연구소(NFRI)
촬영협조 | 국가핵융합연구소(NFRI)

[이미지]
* 2,3,6번 이미지
: 국가핵융합연구소에서 제공한 사진으로 다른 게시물에 활용 시 반드시 출처를 명기하여야합니다. 

* 1,4,5,7번 이미지
: 국가핵융합연구소의 허락 하에 촬영된 사진으로 본 블로그 게재 이외의 용도로 사용할 수 없습니다.
블로그 이미지

굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기