<대체에너지를 찾아라> ③인공태양 `핵융합발전'(끝) -연합뉴스 핵융합 발전 원리 (대전=연합뉴스) 중수소와 삼중수소가 결합해 핵융합을 일으키는 핵융합 발전의 원리에 대한 개념도 << 전국부 특집기사 참조 >> seokyee@yna.co.kr 화석에너지의 궁극적 대안‥"기술적 가능성 이미 입증" (대전=연합뉴스) 윤석이 기자 = "모든 에너지의 원천, 태양을 지구에서 만들 수 있다면?" 화석에너지의 궁극적 대안인 `인공 태양'을 지구에서 만들려는 세계 각국의 노력이 치열하게 전개되고 있다. 석유는 물론 현재까지 인류가 발견한 최대 에너지원인 원자력 발전도 언젠가는 우라늄 고갈이라는 현실에 직면할 수밖에 없다. 그러나 태양에너지의 발생 원리를 이용한 `핵융합 발전'은 지구상의 바닷물을 모두 원료로 사용한다해도 인류가 2천만년 이상을 쓸 수 있는 어마어마한 에너지를 얻을 수 있다. 이 때문에 `핵융합 발전'을 인공 태양으로 비유하는 것이다. ◇핵융합 발전의 비밀 `플라즈마' = 플라즈마란 고체도, 액체도, 기체도 아닌 제4의 물질로 1억도 이상의 고온에서 원자의 핵과 전자가 분리된 자유로운 형태를 지닌다. 지구상의 모든 생명체에 에너지를 공급하는 태양이 대표적인 플라즈마 상태이다. 태양은 80-90%가 수소로 이뤄져 있는 데 태양의 중심부는 1천500만도에 이르는 고온이어서 원자핵과 전자가 분리된 수소 플라즈마 상태로 뒤섞여있다. 또 지구의 33만 배에 이르는 엄청난 중력으로 인해 분리된 수소의 원자핵들은 서로를 마구 잡아당기며 연쇄적으로 핵융합을 일으킨다. 이 때 바로 태양 에너지가 발생한다. ◇지구에서 핵융합에너지를 얻으려면 = 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 우선 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 한다. 이를 위해 과학자들은 바다에서 손쉽게 얻을 수 있는 중수소(D)와 원자력발전소에서 부산물로 생산되는 삼중수소(T)를 가열한 뒤 인위적으로 충돌시켜 핵융합을 유도하는 방법을 고안해 냈다. 수소의 일종인 중수소와 삼중수소를 고온으로 가열한 뒤 핵을 융합시키면 헬륨(He)과 같은 무거운 원소로 바뀌면서 질량을 잃게 되는 데 이 때 17.58MeV의 에너지가 만들어지게 된다. 핵융합 발전은 이 같은 수소 원자핵들의 융합 과정에서 발생하는 고온의 에너지를 이용해 발전 터빈을 돌려 대용량의 전기를 얻으려는 것이다. 현재의 원자력 발전소에서 우라늄과 같은 무거운 원자핵들이 쪼개지면서 발생하는 에너지를 이용하는 `핵분열 발전'과는 반대라고 생각하면 된다. 그러나 초고온의 플라즈마 자체를 만들어내는 것도 힘든 일인데 1억도 이상의 플라즈마에 녹지 않고 견뎌낼 용기(핵융합 장치)를 만들어내는 것은 더더욱 힘든 일이다. 과학자들은 거대한 자석으로 강한 자기장을 만든 뒤 초고온의 플라즈마를 허공에 띄워 용기에 직접 닿지 않게 하는 방법을 시도하고 있다. 이렇게 하면 핵융합장치에서 플라즈마를 만들더라도 용기의 온도는 수천도 이상을 넘지 않게 된다. ◇인공태양 장치 `토카막' = `토카막(Tokamak)'은 초고온의 플라즈마를 초전도 자석의 자기장을 이용해 가두려는 핵융합 장치로 현재 `인공태양'을 만드는 방법 가운데 가장 실용화에 근접했다는 평가를 받고 있다. 높은 에너지의 레이저를 이용해 핵융합 반응을 일으키는 방법도 연구되고 있지만 현재까지는 수소폭탄처럼 순간적인 융합반응을 일으키는 데는 효과적인 반면 전기발전 등을 위해 지속적으로 핵융합 반응을 일으키는 데는 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 대표적인 토카막 장치로는 지난 2006년부터 EU, 미국, 일본, 한국 등 7개 나라가 참여해 프랑스 카다리쉬에 건설 중인 `ITER(국제핵융합실험로)'가 있다. 지난 40년간 전 세계 핵융합실험 장치들이 이뤄낸 실험결과를 종합해 만들어지고 있는 ITER은 오는 2015년 완공돼 핵융합 에너지가 상용화될 수 있는 지를 점검하게 된다. 우리나라도 1995년부터 3천여억 원을 들여 지난해 9월 우리 자체 기술로 토카막 방식의 차세대초전도 핵융합연구장치인 `KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Reserch)'를 조립하는 데 성공했다. ITER(500Mwe)의 약 25분의 1 규모의 KSTAR는 핵융합 상용화를 위한 필수 과제인 `장시간 핵융합 플라즈마 운전'과 `제어기술' 등을 습득하기 위해 만들어진 것으로 ITER와 기초실험 자료 등을 서로 교환하면서 장기적으로는 한국형 핵융합실증로 건설에 필요한 독자적인 연구를 수행하고 있다. 지난 5월에는 플라즈마 생성의 전단계인 극저온 냉각 시운전에 성공했으며 종합 시운전을 거쳐 올 연말에 첫 플라즈마를 발생시킬 계획이다. ◇바닷물 1ｇ으로 석유 8t 만든다 = KSTAR와 같은 핵융합장치가 상용화에 성공한다면 이론적으로 1ｇ의 혼합연료(중수소+삼중수도)로 석유로는 8t, 전기로는 10kW와 같은 에너지를 만들 수 있게 된다. 즉, 바닷물 1ℓ에 포함된 0.03ｇ의 중수소만으로 300ℓ의 휘발유를 만들 수 있는 데 이는 승용차로 서울과 부산을 3번 왕복할 수 있는 양이다. 또한 플라즈마 발생기술은 반도체로부터 항공우주 산업 분야까지 응용분야가 매우 넓어 최첨단 우주 추진체 개발, 신약 개발, 수소에너지, 태양전지, 고도 정수시설 등 신산업 창출이 가능하다. 정부는 2050년께 핵융합 상용화가 이뤄지면 2070년까지 100만kw급 핵융합발전소 60기 이상을 건조, 국내 전력 수요의 30%이상을 담당할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 아울러 8천억 달러의 시장이 형성될 극동지역의 핵융합발전 건설 시장을 선점할 수 있어 에너지 빈국에서 에너지 수출국으로 변모할 수 있게 된다. ◇핵융합에너지 개발 어디까지 왔나 = 1991년 당시 세계 최대의 핵융합장치인 EU의 `JET'에서 중수소와 삼중수소의 비율을 9대1로 섞은 혼합연료로 핵융합 실험에 나서 약 1.5-2MW의 핵융합 에너지를 방출했다. 또 1996년 미국에서도 5대5 비율의 중수소, 삼중수소 원료로 16MW의 에너지를 만드는 데 성공하면서 과학자들은 ITER를 통해 핵융합에너지의 경제성과 안전성 입증에 착수했다. 이 프로젝트를 통해 세계 각국은 향후 35년 내에 핵융합에너지를 상용화하겠다는 복안이다. 우리나라도 2005년에 `국가핵융합에너지개발 기본계획'을 수립, KSTAR를 이용한 핵융합 기반기술을 확보하고 국제사회와의 공조를 통해 2040년대 후반까지 한국형 핵융합발전소 공학 설계를 완성할 계획이다. 국가핵융합연구소 권 면 선임연구부장은 "핵융합의 과학적, 기술적 가능성은 이미 입증된 상태로 한국을 비롯해 국제사회가 풀어야 할 과제는 얼마나 경제성을 갖춘 핵융합발전 장치를 개발할 수 있느냐"라며 "국내적으로는 매년 2천억 원에 달하는 R&D 예산을 최소 20년 이상 지속적으로 투입해야하는 게 가장 큰 과제"라고 말했다. 그는 "핵융합은 인류의 에너지 문제를 근본적으로 해결할 궁극적인 기술이 될 것"이라고 강조했다.