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 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)

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

 

           대한민국의 태양!! NFRI를 다녀오다!!

지난 10월 13일, 국가과학기술위원회 블로그 기자로써 한국항공우주연구원(항우연)과 국가핵융합연구소 탐방을 다녀왔습니다. 그중 제가 소개할 내용은 국가핵융합연구소인데요. 과연 이곳은 무엇을 하는 곳이며, 어떤 재미난 것들이 있는지 지금부터 살펴보도록 하겠습니다!

1. 국가핵융합연구소

국가핵융합연구소는 대덕연구단지에 그 본원이 있습니다. 항우연에서 바로 옆으로 채 5분이 걸리지 않는 거리에 위치해 있는데요. 현재는 연구소 내에 새로운 건물인 핵융합첨단연구동을 건설 중이어서 건설 현장의 소음이 들리기도 했습니다. 

 

 

 

 

 

 
                                                 2. ITER, KSTAR 현판

그래도 입구에 도착하니 양옆으로 ITER 와 KSTAR 현판이 보이네요.
과연 이것들이 국가핵융합연구소에서 어떤 것을 상징하는 것인지는 잠시 후 설명해 드리겠습니다.


 

 

 

 


                        3. 홍보담당관으로부터 ITER, KSTAR에 대해 설명을 듣고 있다.

홍보담당관님을 만나 국가핵융합연구소에 관한 영상물을 보고, ITER, KSTAR에 관한 설명을 들었습니다. 참! 이곳은 보안등급이 ‘나’급인 중요 국가 시설이라 들어가기 전에 보안검사를 했는데요, 영화에서처럼 비밀연구소 들어가듯이 요란한(?) 절차는 아니었지만, 방문자들의 인적사항 확인과 촬영을 막기 위해 카메라 렌즈나 핸드폰 등에 스티커를 붙이는 절차들이 필요했습니다.

ITER란 무엇일까요?

4. ITER가 건설되고 있는 프랑스 카다라쉬에서 근무하고 있는 7개 회원국에서 온 연구원들


ITER 사업은 핵융합에너지 상용화를 목적으로 이를 과학적, 기술적으로 연구하기위해, 우리나라를 비롯한 주요 선진국(유럽연합, 일본, 미국, 러시아, 중국, 인도)이 공동으로 국제핵융합실험로(ITER)를 건설하고 운영하는 국제협력 프로젝트입니다. 라틴어로 '길'이라는 뜻을 지닌 ITER는 ‘핵융합에너지 시대로 가는 지름길’이라는 의미를 가지고 있습니다. 우리나라도 이 같은 국제적 프로젝트에 선진국과 함께 참여한다는 사실이 매우 기쁘더군요, 이정도면 대한민국 과학기술의 우수성이 입증됐다고도 할 수 있지 않을까요?

이번에는 KSTAR에 대해 알아봅시다.

5. 영화 '아이언맨'의 한장면

여러분 혹시 영화 아이언맨을 보셨나요?
영화에서 보면, 아크원자로 핵융합을 이용해 에너지를 만들고 그 에너지를 수트와 주인공의 심장에 공급하는 장면이 나옵니다. 말하자면 초소형 토카막 장치와 같다고 생각하면 되는데요, 하지만 현실에서 토카막 장치는 이렇게 거대하답니다. 내부도 어마어마하죠?
사실 토카막 장치를 영화와 같이 작게 만드는 것은 매우 힘들다고 하네요.

 

6. KSTAR 진공용기 내부

7. KSTAR

 

 

 

 

 

 

KSTAR는 대체 에너지원인 핵융합로를 위한 안정화된 초전도 토카막 장치, 즉 '한국형 초전도 토카막 연구장치(Korea Superconducting Tokamak Advanced Reserch)'의 영문 첫 글자를 딴 용어로, 플라즈마 형상과 수송의 능동제어를 통해 핵융합로가 정상상태로 운전하도록 연구하는 프로젝트라고 생각하시면 됩니다.

8. Plasma (출처 : flickr :@OakleyOriginals / http://www.flickr.com/photos/oakleyoriginals/6183597043/sizes/z/in/photostream/)

핵융합의 어려운 점은 바로 플라즈마에 있다고 합니다.
플라즈마는 기체, 액체, 고체 상태도 아닌 제 4상태로 불리는데요,
기체 원자의 핵과 전자가 높은 온도에서 분리된 상태라고 보면 조금 더 이해하기 쉬울 것 같습니다.
어쨌든, 이렇게 핵과 전자가 분리되려면 굉장히 높은 온도가 필요한데 대략 1억 도 정도라고 하네요.

9. Sun (출처 : flickr : @NASA Goddard Photo and Video / http://www.flickr.com/photos/gsfc/4923566097/)

대표적인 것이 바로 태양입니다.
태양은 중수소, 삼중수소들이 충돌하면서 헬륨 및 알파입자를 방출하는 핵융합반응이 수시로 일어나는 곳입니다.
그런 의미에서 본다면, KSTAR는 대한민국의 태양인 셈이죠!

근데 1억 도의 온도에서 버틸 금속이 과연 있을까요? 거의 대부분의 금속은 1억 도에서 촛농처럼 녹아내릴텐데 말이죠.
때문에 초고온의 플라즈마를 가두기 위해서는 진공용기 주변에 강력한 자기장을 만들 수 있는 저항이 없는 초전도 자석을 설치하여 강력한 자기장을 만들고 플라즈마를 공중에 띄우도록 합니다.
KSTAR에 활용한 초전도자석은 약 -268도(4.5K)의 극저온에서 구동되기에 초전도 자석을 냉각하기 위해 액체질소와 같은 극저온 냉각장치를 설치해야 한답니다.

10. 국가과학기술위원회(국과위) 기자단

11. KSTAR 건설에 참여한 국내 기업들의 현판

KSTAR를 견학중인 국가과학기술위원회(국과위) 기자단들의 모습입니다. 오른쪽으로는 KSTAR 건설에 참여한 국내 기업들의 현판이 크게 붙어 있습니다.

 

12. 기자단이 KSTAR를 둘러보고 있다.

KSTAR의 웅장한 모습입니다. 엄청난 양의 파이프가 있네요! 위에서 전체적으로 살펴봤는데, 굉장히 복잡해 보였습니다.

13. KSTAR 작동 순간의 기록

지금까지 KSTAR가 작동했던 순간들을 영상으로 모아 놓은 전시관입니다.


14. KSTAR 작동 순간



왼쪽 위부터 차례로 작동했던 순간들을 포착한 사진입니다.
최초 플라즈마 발생 실험에서 거의 2초까지 플라즈마 상태를 유지했다고 합니다.
다른 나라에서는 핵융합 장치 건설 후 한 번에 가동에 성공한 경우가 거의 없다고 하는데 그러고 보면 대한민국은 정말 대단한 것 같습니다.

15. 견학을 마치며, 한 컷.

어느덧 KSTAR 견학이 끝나고 마지막으로 KSTAR 앞에서 기자단이 함께 단체샷을 찍었습니다.
모두들 환한 미소와 함께 찰칵!

개인적으로는 이번 견학이 처음으로 국가연구소를 방문한 것이었는데요, NFRI를 둘러보며 우리나라도 세계의 과학기술에 절대 뒤처지지 않는구나, 하는 생각이 들었습니다.
앞으로 더 많은 투자로 국가과학기술의 발전을 도모했으면 하는 바람입니다.

기초과학이 곧 국가의 발전!! 이상, 최형일 기자였습니다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 최 형 일
사진 | 최형일 기자, 국가핵융합연구소(NFRI)
촬영협조 | 국가핵융합연구소(NFRI)
 

 

 

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