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[원자력탐험대 16화] 아이언 맨의 인공 태양 ‘핵융합’ 발전

  • 2015.04.30.
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태양처럼 에너지 생성… 핵분열과 반대 원리

수소 원자핵, 플라스마 상태로 1억℃ 이상 열과 높은 압력 가해 반응
핵분열보다 훨씬 안전하고 원료 되는 수소는 무한 자원 ‘꿈의 에너지’

지구를 지키는 영웅들의 영화 ‘어벤져스’ 에도 나오는 슈퍼 영웅 ‘아이언맨’. 엄청난 힘을 자랑하는 로봇 슈트는 주인공 토니 스타크의 가슴에 달린 반짝이는 물건(?)에서 에너지를 얻는다. 아무리 영화라지만 너무 황당하다고? 절대 그렇지 않다. 영화에서나 가능할 것 같은 새로운 에너지가 점점 더 현실로 다가오고 있다. 바로 차세대 원자력 기술의 핵융합 발전이다.

△ 핵분열과 핵융합

원자력 발전은 핵분열 때 발생하는 열을 전기 에너지로 만드는 기술이다. 그렇다면 핵융합의 원리는 무엇일까? 한마디로 설명하자면, 핵분열과 반대로 핵이 뭉쳐질 때 생기는 에너지를 전기로 만드는 기술이다.

높은 온도와 압력에서 가벼운 원자핵 2개가 충돌해 합쳐지면, 원래보다 더 무거운 원자핵으로 변한다. 그때 질량이 줄어드는데, 그만큼의 에너지가 전기로 바뀔 수 있다. 사실 이와 같은 핵융합 에너지를 우리는 날마다 보고 있다. 지구의 모든 생명체는 태양의 열과 빛을 이용해 살아간다. 태양은 엄청난 에너지의 덩어리이자 핵융합 발전소인 셈이다.

특히, 태양 에너지는 플라스마 상태에서 수소끼리 결합하여 헬륨으로 변하는 핵융합 반응의 결과라고 알려져 있다. 플라스마 상태란 간단히 말해 아주 높은 온도에서 기체가 이온화 즉, 전기적 성질을 띠는 것을 말한다. 대개 별의 내부나 별 사이의 공간에 있는 물질의 상태가 이와 같다.

아이언 맨의 인공 태양‘핵융합’ 발전
1,2) 우리가 만나는 핵융합 발전의 여러 모습. 태양(1)은 자연 그대로의 핵융합 발전소이며, 공상 과학 영화 ‘아이언맨’의 주인공 토니 스타크가 가슴에 달고 있는 빛나는 물체(2)도 초소형 핵융합 발전 장치이다.
3) 차세대 핵융합 연구 시설로 우리나라 뿐 아니라 해외에서도 주목하고 있는 케이스타(KSTAR)의 주장치.

△ 핵융합 발전 원리

태양을 닮은 핵융합 발전을 위해선 몇 단계의 과정이 필요하다. 먼저 수소의 원자핵을 높은 온도에서 플라스마 상태로 만든다. 그리고 우주처럼 진공상태의 공간에 이 플라스마를 넣어 사라지지 않도록한다. 이 공간을‘ 토카막’이라 부르는데, 이 안에서 플라스마에 1억 ℃ 이상의 열과 높은 압력을 주면 핵융합 반응이 일어난다. 이어 수소 원자핵이 융합을 시작하면, 엄청난 에너지를 내뿜으면서 헬륨과 중성자를 만든다.

그런데, 태양처럼 수억 ℃나 되는 뜨거운 플라스마를 담는 공간을 실제로 만들 수 있을까?
수억 ℃의 온도에 녹지 않고 버틸 수 있는 물체는 아직 세상에 존재하지 않는다. 그럼에도 불구하고 핵융합 발전이 가능한 이유는 플라스마와 토카막이 직접 닿지 않도록 한 기발한 발상에 있다. 커다란 방 안에 뜨겁고 작은 공이 벽에 닿지 않은 채 붕붕 떠 있는 모습이라고 생각하면 쉽다.

△ 안전하고, 무한한 에너지

핵융합 발전이 미래 청정 에너지로 주목을 받는 이유는 어디에 있을까? 핵융합도 원자핵의 반응을 이용한 기술이기에 방사성 물질이 나온다. 하지만 현재의 원전과는 비교가 안 될 정도로 그 양이 낮아 훨씬 안전하다고 말 할 수 있다. 게다가 핵융합의 원료가 되는 수소는 물을 전기 분해해 얻는 무한 자원이나 다름없다.

이 밖에 온실 가스 배출이나 높은 방사성 폐기물이 나오지 않는 데다, 무한한 자원을 이용할 수 있기에 과학자들은 핵융합 에너지야말로 꿈의 에너지라고까지 말한다.

△ 차세대 초전도 핵융합 연구 장치(KSTAR)

꿈의 에너지인 핵융합 발전을 실용화하기 위한 연구는 우리나라도 활발히 진행중이다. 국제사회는 핵융합 발전의 빠른 실용화를 위해 협력기구를 만들고 함께 연구 중인데 그 대표적인 것이 바로 ‘국제 열핵융합 실험로’(아이티이알·ITER)이다.

여기에는 미국, 중국, 일본, 러시아, 인도, 유럽연합 뿐 아니라 우리나라도 참여하고 있다. 이 실험로는 현재 프랑스 남부 지역인 카다라슈에 건설 중이며, 2019년께 완공돼 실험을 시작할 예정이다.

우리나라는 또 대전 국가핵융합연구소의 초전도 핵융합 연구 장치인 ‘케이스타’(KSTAR)로 핵융합 연구에 한창이다. 지난 2007년 완공된 케이스타는 지름9m, 높이6m, 무게60t으로, 2008년 6월부터 시운전을 시작했고, 높은 전류와 초고온 상태의 플라스마를 만드는 실험을 이어 오고 있다.

특히 케이스타는 현재 세계에서 가장 최신형 핵융합 장치이자, 뛰어난 성능을 입증해 여러 나라의 과학자들이 공동 연구를 진행할 정도다.

원자력탐험대16회

 

– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://goo.gl/9JtPj1

 

 

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