[에너지 분석] ② 인류최대의 먹거리 ‘핵융합기술’
[에너지 분석] ② 인류최대의 먹거리 ‘핵융합기술’
  • 이은광 기자
  • 승인 2019.05.21 21:01
  • 댓글 0
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-한국, 자체독자기술로 7개국중 선두그룹
-미국, 로키드마틴사 2025년 미니핵융합 개발완료 예정
사진=한국이 독자개발한 KSTAR / 국가핵융합연구소 홈페이지 캡처
사진=한국이 독자개발한 KSTAR / 국가핵융합연구소 홈페이지 캡처

[데일리비즈온 이은광 기자] 핵융합기술은 인류 최대의 기술이 축적된 프로젝트이며, 세계에서 추진하는 프로젝트중 가장 큰 규모의 ITER (국제핵융합 실험로사업) 사업이다. ITER 사업은 핵융합에너지 개발을 위해 4개국이 힘을 모은 역사상 최대 규모의 국제공동연구로 시작했다. 초기 참여 나라는 미국, 유럽연합, 일본, 러시아 4개국이었으며 2019년 현재 한국, 중국, 인도가 포함되어 총 7개국이 프로젝트에 참여하고있으며, 핵융합기술은 한마디로 인공태양을 만드는 꿈의 에너지 이다.

우주를 지탱하는 자연적인 원천 에너지와 같다. 핵융합 에너지는 고갈될 염려가 없어 무한한 자원을 제공하며 무엇보다 방사능 물질의 양이나 방사선이 나오는 기간은 현재 원자력에 비하면 무시해도 좋을 정도로 적고 짧아 핵융합 에너지는 환경친화적이다. 원자력 발전소의 방사능 누출과 같은 대형 사고가 발생할 염려도 없다. 때문에 1980년대 후반부터 IAEA(국제원자력기구) 의 지원 아래 미국, 유럽연합, 일본, 러시아가 공동협력하여 연구를 진행해왔다. ITER 에 참여하는 국가는 영원불멸의 핵융합 에너지 개발로 세계 패권국가를 꿈꾸고 있다.


◇ 2003년 한국 'KSTAR' ITER가입 성과

KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 1995년에 개발에 착수하여 2007년 개발이 완료된 대한민국이 독자개발에 성공한 한국형 핵융합연구로 이다. 현재 가장 많이 쓰이는 방법은 도넛 형태의 자기장 안에 플라스마를 가두는 ‘토카막 방식’이다. KSTAR도 이 방식을 채택하고 있다. 플라스마 입자들은 전하를 띠고 있기 때문에 자기장 안에 들어가면 자기력선 주변을 뱅뱅 돌며 밖으로 도망가지 못한다.

플라스마를 잡는 기술을 해결하고나니 다른 문제가 발생했다. 자기장을 만들기 위해 넣은 전자석이 전기저항 때문에 엄청난 열을 내뿜는 탓에 핵융합로를 오래 가동할 수가 없는 것이다. 지금까지 나온 핵융합로는 20~30초 가동하고 냉각수 흘려주며 20~30분씩 쉬어야 했다. 에너지 손실이 많이 발생했던 것이다.

KSTAR연구팀은  초전도 자석을 이용해 이 문제를 해결했다. 저항이 0인 초전도 자석은 에너지 손실 없이 플라스마를 가두기에 딱 좋은 효과를 만들어냈다.단 극저온에서만 작용해 상용화가 어려웠다. KSTAR연구팀은 수백가닥의 초전도 선을 꼬아 자석을 만들고, 선 사이의 아주 미세한 틈을 진공 상태로 유지한 채 영하 268.5℃의 액체 헬륨을 주입해 세계 최초로 초전도 자석만으로 플라스마를 담는 ‘용기’를 만드는 데 성공했다

그때 등장한 것이 우리나라의 'KSTAR'였다. 한국 차세대 초전도 핵융합연구장치를 완공하여 최초 플라스마 발생에 성공시킨 것이다. '구리'를 써 상용화에 실패했던 일본과 달리 우리나라는 '초전도체'를 사용하여 토카막 장치 개발에 성공하였고, 때문에 상용화에도 문제가 없었다. 80년대, 대한민국이 ITER에 가입하고자 했을 때에는  미국, 일본 등은 한국의 가입을 거부했었다. 기술력도, 자금력도 자기들과 견주었을 때 약해 보였던 것이다.

한국 연구진들은 단독으로 연구 개발에 들어갔다.  열악한 환경 속에서 불과 12년만에 대한민국 연구진은 성과를 내었다. 국제원자력기구의 지원과 20개 이상의 대학과 40개 이상의 산업체들도 적극적인 협조를 받으며 수십년간 연구에 매진한 미국, 유럽, 일본, 러시아도 하지 못한것 이다. 

이후 대한민국은 ITER에 초청을 받았고, 한국의 독자기술이 없으면 ITER 사업 자체를 진행할 수 없기 때문이다. 80년대에만 하더라도 미국, 일본등에게 가입 거부를 당했던 우리나라가, 다른 방식도 아닌 '초청'으로 모셔지며 ITER 가입국이 된 것이다. 특히 이 분야에서 현대중공업과 두산중공업이 독보적인 기술력을 확보하였다.

핵융합 핵심 장치로 꼽히는 초전도체, 극저온진공용기, 진단장치, 열차폐체 등 10개 품목의 기술력을 보유 중이며 현재 미국, 일본, 중국, 인도, 러시아와 동등히 ITER 지분 중 9%를 확보 중이다. 대한민국은 ITER 프로젝트와는 별개로 단독적인 프로젝트를 꾸준히 수행하여 ITER가 2050년을 목표로 하는 상용발전소를 무려 15년이나 앞당겨 2021~2035년에 세계 최초로 상용 한국형 핵융합발전소를 건설하는 계획을 세우고 있다.

◇ 2017년 중국 인공태양 100초 유지 성공

2017년 중국의 과학자들이 태양의 핵심보다 10배 높은 온도의 플라즈마를 만들어 100초이상 안정적으로 유지하는데 성공했다고 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다. 중국과학원은 성명을 통해 안후이(安徽)성 허페이(合肥)시에 있는 토카막(Tokamak) 시설에서 101.2초 동안 이 같은 실험을 했다고 밝혔다. 한국의 국가핵융합연구소가 작년에 세운 세계 기록인 72초를 뛰어넘는 것이다.

중국과학원은 이번 실험은 돌파구라며 핵융합기술 연구에서 세계적인 리더로서의 위상을 공고히 할 것으로 기대했다. 실험용 핵융합 발전소를 짓는 데 기초가 될 것이라는 게 중국과학원의 설명이다. 핵융합은 태양이 에너지를 내는 원리인 핵융합 반응을 이용한다 해서 ‘인공태양’으로도 불린다. 수소와 같은 원자핵들이 합치는 과정에서 1억도 이상에 이르는 초고온의 열을 발산하는데 이 열을 느리고 통제가능한 수준으로 발산하도록 하기 위해 핵융합 반응을 통제하는 게 난제였다.

초고온의 플라즈마를 토카막에 넣고 장기간 운전하고 안정화 시킬 수 있는 기술이 핵융합 연구의 핵심인 것이다. 칭화대의 정스(曾实) 교수가 “일부 연구자들이 인공태양을 만드는 데 낙관적이지만 이번 실험은 단지 초 단위로 진행됐을 뿐으로 수십년간 지속적으로 작동해야하는 발전소를 짓는 단계까지는 갈 길이 여전히 멀다”고 지적했다.

중국은 최근 수년간 핵융합 연구에 다른 어느나라보다 더 많은 투자를 하고 있다고 SCMP는 전했다. 다른 나라들이 핵융합 연구 규모를 줄이거나 중단하고 있는 것과 대조된다는 것이다. 이번 실험은 국가발전개혁위원회 과학기술부 중국과학원 국가자연과학기금위원회 등이 공동 지원하는 연구의 일환으로 진행됐다.

사진=초소형 핵융합로를개발하는 록히드마틴의 스컹크웍스그룹/이미지출처lockheedmartin.com
사진=초소형 핵융합로를개발하는 록히드마틴의 스컹크웍스그룹/이미지출처lockheedmartin.com

◇ 2014년 미국 록히드마틴社 10년내 미니핵융합 개발선언

국가핵융합 연구소 2018년 발표자료에 의하면 미국의 방위산업체인 록히드마틴(Lockheed Martin)이 트럭 정도의 작은 핵융합 원자로를 개발하고 있다고 밝혔다. 록히드 마틴의 연구관계자는 1년 내 실험을 마치고,5년 이내에 원형 모델을 만들겠다는 구체적인 계획도 발표했다. 록히드마틴은 F-16 등 군용항공기 개발로 유명한 미국의 3대 항공우주산업체 이다.

100MW의 전기 생산이 가능한 소형 핵융합로를 개발해 잠수함 및 항공모함 등의 동력원으로 활용하겠다는 계획이며, 군사무기를 만들던 회사가 갑자기 핵융합 발전에 대해 언급했다는 사실도 놀랍지만, 이렇게 짧은 시간 안에 상용화를 계획하고 있다는 소식이다.

하지만 록히드마틴사는 그동안 비밀프로젝트로 운영되던 핵융합로 개발 프로젝트를 공개하고 여러 기관이나 연구자들과 공동연구를 하겠다고 발표했지만, 명확하게 어떠한 방식의 핵융합로를 개발하는지는 발표하지 않았다.

사진=일본이 개발중인 핵융합연구소 내 대형 헬리컬 장치(LHD)/핵융합연구소홈페이지 캡처
사진=일본이 개발중인 핵융합연구소 내 대형 헬리컬 장치(LHD)/핵융합연구소홈페이지 캡처

◇ 일본, 2017년 핵융합발전 1억2천만 도에 근접 성공

일본 자연과학연구기구인 핵융합과학연구소는 2017년7월 물질끼리 융합하는 핵융합(Nuclear Fusion)반응으로 생기는 에너지를 이용한 발전의 실현을 목표로, 핵융합발전의 실용화에 필요한 1억 2천만 도에 접근, 1억 도를 넘는 고온의 플라즈마를 만드는 데 성공했다고 발표했다. 일본 핵융합과학연구소는 대형 헬리컬 장치(LHD=Large Helical Device)로 불리는 높이 약 9미터, 지름 약 13.5미터의 실험 장치에서 수소 등을 가열해 플라스마를 생성한다.

일본은 지난 2013년에 발전소를 이용한 실험에서 9천 400만도를 달성한 적이 있다. 2017년 3월부터는 더 높은 고온상태를 만들어 내는 중수소를 이용한 실험을 시도해왔으며, 4월에는 처음 1억 도를 넘어서는 결과를 얻었다. 핵융합과학연구소의 모리 사키 도모히로(森崎友宏) 대형 헬리컬장치계획연구 총주간은 “목표 온도의 달성을 위해서 모든 연구원들이 심혈을 기울여 왔으며, 그 결과로 중수소 실험의 성과가 꾸준히 나오고 있다”고 말했다.



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