[데일리비즈온 이은광 이재경 기자] 핵융합 에너지는 흔히 ‘꿈의 에너지’, 또는 ‘미래의 에너지’라고 불린다.

가장 일반적으로는 연료의 무한함을 꼽을 수 있다. 핵융합의 연료는 중수소와 삼중수소를 꼽을 수 있는데, 중수소는 바닷물을 전기분해해서 얻을 수 있다. 삼중수소는 리튬과 중성자를 반응시켜 만들 수 있다. 리튬 역시 바닷물에 녹아 있으니, 사실상 연료 고갈의 염려가 없다.

또한 핵융합 발전은 방사능 폐기물이 거의 없으며 온실가스와 공해 물질도 발생시키지 않는다. ‘친환경 에너지’에 가깝다. 거기에 핵융합로에 이상이 생기면 플라스마가 스스로 식도록 설계되었기 때문에 안전성 위험도 없다. 아울러 같은 양의 원료로 원자력 발전보다 7배 이상의 에너지를 생산할 수 있다. 

그렇게 좋다는 핵융합 기술, 하지만 일반인들에게는 아직 생소한 개념인 것도 사실이다. 당장 우리나라가 핵융합 기술부문에서 선도국의 위치에 있다는 사실마저 거의 알려져 있지 않다. 이에 유석재 국가핵융합연구소 소장은 “상용화가 생각보다 얼마 남지 않았다”며 “2035년을 기점으로 세계 에너지 시장이 송두리째 뒤흔들릴 것이다”고 내다봤다.

과연 그 말이 함의하는 바는 무엇일까, 16일 대전 대덕연구단지에 위치한 연구소로 그를 직접 찾아 좀 더 자세한 이야기를 들어보기로 했다.

[인터뷰] 유석재 소장의 ‘핵융합 예찬론’ (上) 에서 이어집니다.

저희 기술수준이 세계 최고라면서요? 향후 과제는 어떠한 것이 있을까요?

향후 과제는 세 가지 입니다. 기술적, 제도적, 인력에 관한 것입니다.

기술적인 부분과 관련해, 핵융합 에너지도 결국 장작불을 때우는 것과 유사합니다. 모닥불 피워보셨지 않습니까? 장작 배치가 안정적으로 잘 되어야 되잖아요. 핵융합에서는 연료를 플라즈마 상태로 만들어 놓습니다. 모닥불은 나무를 잘라서 장작 형태로 쌓아놓죠. 저희는 원자 상태의 수소들을 가공해서 플라즈마 상태로 만들어 놓습니다. 이 플라즈마 상태가 초고온이 바탕이 되어야 해요. 기본적으로 1억 도가 넘어야 합니다. 

온도가 높아지면 입자의 움직임이 활발해집니다. 가둬놓은 공간에서 막 벗어나려고 하겠죠. 그렇기 때문에 장작을 잘 쌓아놓는 것처럼 플라즈마를 고온도, 고밀도로 장시간 유지하는 기술이 필요합니다. 그렇다면 불쏘시개가 필요합니다. 장작이 어느 정도 타게 되면 그 다음부터는 스스로 알아서 잘 탑니다.

핵융합도 처음에는 외부에서 가열을 해야 합니다. 이후에는 자생 에너지가 알아서 잘 합니다. 그것이 핵융합 연소입니다. 지금은 이론적으로만 정립되어있지만, 이후 실험적으로 인류가 검증해야 우리가 자체적인 발전소를 만들 수 있습니다. 일단은  잘 모아놓는 기술을 개발하는 것이며, 이제는 우리가 케이스타(KSTAR)라는 국내 핵융합 연구 장치로 어느 정도 성과를 냈습니다.

그 다음은 우리를 포함한 7대 강대국이 이터(ITER)라는 장치를 가지고 핵융합 연소실험을 추진 중에 있습니다. 그렇게 되면 핵융합 연소실험이 실현되면 인공태양이 완성된 것이라 볼 수 있습니다. 그런데 태양에 있는 에너지가 지구로 왔을 때 우리가 이것을 전기에너지로 바꾸어야 에너지가 되지 않겠습니까? 따라서 전기로 바꾸는 작업이 마지막으로 남아 있습니다. 자연 태양에서 에너지를 전기로 바꾸는 것을 태양전지라고 얘기한다면, 핵융합 에너지를 활용하는 과정은 인공태양전지라고 볼 수 있습니다.

아시다시피, 태양전지는 조각판넬 모양으로 되어 있습니다. 반면에 인공태양 전지는 이 판넬 모양을 확장해서 인공태양을 모두 둘러 싸는 형태이기에 담요라는 의미의 '블랭킷' 이라고 합니다. 이것이 만들어지면 드디어 세 단계 과정이 끝납니다. 연료를 모으고, 태우고, 전기 에너지로 전환하는 세 단계입니다. 반복해서 말씀드리자면 우리나라는 현재 연료를 연소시키는 실험을 준비하는 단계에 있습니다. 이 실험을 검증하기 위해서 ITER 장치 건설에 참여하고 있습니다. 그리고 인공태양전지의 기술 개발에 대해서는 숙제로 남아있습니다.

우리나라의 경우에는 현재까지 굉장히 앞서 있다고 볼 수 있습니다. 앞의 두 단계를 확보했다고 볼 수 있습니다. 현재 블랭킷이라는 단계를 추가적으로 개발하게 된다면 기술적으로는 글로벌 선두를 차지할 수 있을 것으로 보입니다. 여기까지가 기술적 과제입니다.

다음은 제도적 과제입니다. 우리 연구소가 독립법인이 아니라 한국기초과학연구원의  부설연구소로 되어 있습니다. 따라서 법적 지위가 조금 불안한 감이 있습니다. 이 기술을 성공적으로 마무리하기 위해서는 독립 법인화가 필요하다고 생각합니다. 법적 지위의 안정화가 필요합니다.

마지막은 인적 과제입니다. 결국 모든 일은 사람이 하기 때문에. 핵융합의 저변 확대 및 핵융합의 연구 인력에 대한 확충. 이 부분이 필요합니다. 

라이벌 국가의 상황은 어떻습니까?

핵융합은 늘 플라즈마 상태가 전제되어야 한다고 말씀드렸습니다. 플라즈마는 이온과 전자로 구성되어있는 기체 상태고요. 

이온과 전자가 뭉쳐있다고 가정할 때, 우선은 핵융합을 일으키는 이온과 이온이 만나야 합니다. 그런데 이 둘이 플러스 전기이기 때문에 이 것을 극복할만한 운동에너지가 필요합니다. 이 운동에너지의 크기를 더해서 입자 개수로 나누면 온도가 됩니다. 실제 우리가 느끼는 온도입니다. 따라서 우리는 평균 운동에너지를 온도로 정의합니다. 그렇기 때문에 온도가 높아야 하는 것이고요.

그래서 우리가 1억 도 이상을 목표로 하는 것입니다. 실제 핵융합 발전소의 최적운전운동은 1.5억도 입니다. 이것이 운전 온도가 되겠습니다. 현재 중국에서 달성한 사항은 플라즈마에서 전자를 1억 도로 올린 것입니다. 그런데 이온에 비해 전자는 좀 쉽습니다. 전자는 이온보다 무게가 훨씬 가볍거든요. 반면 이온은 그만큼 무겁기 때문에, 이것들의 운동에너지를 높이는 것이 훨씬 힘들겠죠. 그렇기에 저희가 달성한 이온온도 1억 도는 그 의미가 각별합니다.

일본에서도 이온온도 1억 도를 달성하기는 했습니다. 다만 장치가 다릅니다. 그 쪽에서는 '스텔라레이터'라는 장치를 사용하거든요, 저희는 토카막을 사용하고요, 저희는 올해 말까지 이온온도 1억 도로 10초를 달성하고자 합니다. 현재 7개 나라가 마라톤 식으로 선두그룹을 구성하고 있습니다. 미국, 인도, 일본, 중국, 우리나라, 러시아, 유럽연합 등입니다. 다만 토카막 쪽에서는 중국과 우리가 좀 앞서 있습니다.

초전도 토카막이라는 고성능 장치가 전 세계에 두 개가 있는데 중국과 우리나라에 있습니다. 일본은 2020년을 완공 목표로 하고 있습니다. 따라서 현재까지는 중국과 우리가 앞서거니 뒷서거니 하는데, 작년 말 저희가 1.5초에 이온온도 1억 도를 달성하며 한 발짝 앞서있는 상태입니다.

그 상황에서 우리가 10초를 달성하면, 예전에 황영조 선수가 올림픽 때 선두그룹에서 혼자 탁 튀어나와 독주하던. 그런 형국이 될 수 있습니다. 물론 어려운 목표입니다. 연구원들이 최선을 다해야 하는 부분인데, 각오가 남다른 상태입니다.

상상이 잘 안 되네요.

자기장을 보면 S극끼리는 서로 끌어 당기잖아요. N극끼리는 암만 해도 서로 안 붙죠. 무언가가 그 가운데 존재한다는 뜻입니다. 우리가 그 공간을 보울 상태로 만듭니다. 전기를 띈 입자는 자기장을 뚫고 나가지 못하게 하는 것입니다. 중성 원자가 되면 그 공간을 탁 빠져 나갈 수 있는데, 그렇지 않으면 내내 철장 안에 갇혀있는 상태입니다. 그 상태에서 밖에서 에너지를 마구 공급하는 것입니다. 그러면 온도가 올라가겠죠. 그렇게 1억 도로 만드는 것입니다.  

온도 측정은 어떻게 하나요?

스피드건을 생각하시면 됩니다. 온도라고 하는 것은 말씀드렸듯이, 운동에너지 총합의 평균입니다. 움직이는 것을 보면 알 수 있다는 것입니다. 얼마나 빨리, 세게 움직이고 있는지를 보는 것입니다. 스피드건을 딱 쏘면 달려오는 속도가 파장으로 반사됩니다. 그것을 보고 속도를 측정하듯이. 온도를 측정한다고 보아도 되겠습니다. (계속)