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세계 최고 수준에 속하는 우리나라의 핵융합 발전기술

  • 2016.12.21.
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핵분열의 원리에 대해서 알고 계시나요? 한 개의 무거운 원자핵이 두 개 또는 그 이상의 가벼운 원자핵으로 바뀌는 것을 핵분열이라고 합니다. 현재 지구상에 있는 모든 원자력 발전소는 핵분열을 이용해 전기를 생산하고 있습니다. 가장 효율적으로 전기를 생산할 수 있지만, 인간에게 피해를 줄 수 있는 방사능 물질이 부산물로 나오는 것이 아쉬운 점이라고 할 수 있습니다. 그런 이유로 현재 지구 곳곳의 원자력 연구소에는 핵분열을 대신할 수 있는 새로운 기술을 연구중입니다. 이 기술은 미래의 차세대 원자력 발전의 전환점이 될 핵융합 기술입니다.

Nuclear Fusion
태양을 만드는 기술, 핵융합

오늘은 핵융합 기술의 선두주자인 우리나라의 핵융합 발전 현황에 대해서 이야기해보려고 합니다. 그 전에 먼저 핵융합에 대해서 간단하게 설명해 드릴게요. 핵융합은 쉽게 말해 아주 짧은 태양을 만든다고 할 수 있습니다. 핵융합은 핵분열과 마찬가지로, 막대한 에너지를 발전에 이용할 수 있으며, 핵분열 발전에 비해 훨씬 적고 강도가 약한 방사능 물질을 배출합니다. 따라서 현재 에너지 생산을 가장 많이 하고 있는 화력발전소를 대체할 수 있습니다. 그러나 이를 위해서는 넘어야 할 과정들이 많습니다. 핵융합 반응이 일어나려면 1억도 이상의 온도와 엄청난 압력이 필요합니다.

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세계 최고 수준의 핵융합 실험로, KSTAR

현재 핵융합 발전을 위해 연구 중인 기술은 여러 가지가 있지만, 가장 가능성이 높은 기술은 토카막을 이용한 자기장 가둠(Magnetic Confinement) 방식입니다. 우리나라가 보유 중인 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)도 바로 이 기술을 토대로 하는 핵융합 실험로입니다. 현존하는 세계 최고 수준의 초전도 토카막 핵융합 실험로인 KSTAR은 2007년 대한민국이 독자개발에 성공한 한국형 핵융합 연구로이며, 대전광역시의 국가핵융합연구소(NFRI)에 위치하고 있습니다. 지름 10m, 높이 6m에 도넛형으로 생겼으며, KSTAR를 둘러쌓고 있는 콘크리트 벽의 두께는 무려 1.5m로, 아파트 3000가구를 지을 수 있는 시멘트가 사용되었다고 합니다.

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우리나라 핵융합 기술의 시작

1970년대까지만 하더라도 우리나라에서는 핵 플라즈마에 대한 연구가 열악한 환경에서 이어져 오고 있었습니다. 그러나 1985년 서울대학교에서 국내 최초로 플라즈마를 발생시키면서, 국내 핵융합 연구에도 순풍이 불기 시작합니다. 이런 흐름 속에서 1996년 1월 1일, ‘국가 핵융합 연구개발 프로젝트’가 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 프로젝트로 명명되면서 정부출연 연구소와 공기업, 대학, 민간산업체가 공동으로 참여하기 시작합니다.%ed%81%ac%ea%b8%b0%eb%b3%80%ed%99%98__4

제작이 아닌 창작의 과정

첫 개발을 시작할 당시만 해도, 초전도자석을 사용하는 토카막 핵융합 실험로는 세계 어디에서도 만들어진 적이 없었습니다. 따라서 모든 것을 거의 새로 만들어야 하는 ‘창작’의 단계였습니다. 구리 안에 주석과 4000여 개의 나이오븀(Nb)을 삽입하여 밀봉한 후 이를 잡아 늘려 0.78mm 직경의 Nb3Sn 선재를 최고 10km까지 끊어지지 않게 뽑아내는 고난도 작업이 끝난 뒤, 이를 다시 여러 가닥으로 꼬아 초전도선재 다발을 만든 뒤 이를 특수 재질의 고강도 강판으로 둘러싸서 용접하는 과정을 통해 초전도도체가 완성하는 등, 수차례의 연구개발을 거쳐 2002년 4월, KSTAR에 들어갈 최초의 초전도자석 개발이 성공적으로 마무리되었습니다. 물론 이것은 핵융합 발전로의 첫 관문을 통과한 것에 불과했습니다.

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부속 장치들이 조금씩 완성되면서, KSTAR 전체에 대한 조립이 시작되었습니다. 이것은 수십 톤에 달하는 거대부품들을 하나로 연결하는 작업이었습니다. 그중 가장 어려웠던 작업은 3개의 구조물을 1개의 도넛형으로 만드는 과정이었습니다. 전체 360˚ 중에서 337.5˚에 해당하는 섹터 I과 섹터 II는 먼저 연결이 되었습니다. 그러나 나머지에 당하는 공간은 자석을 넣을 수 있는 최소한의 공간으로, 기술적으로 가장 어렵고 위험하면서도, 시간이 가장 많이 필요한(4개월) 작업이었습니다.

%ed%81%ac%ea%b8%b0%eb%b3%80%ed%99%98__6국제규격은 0.8mm 우리나라는 0.5mm

4개월이라는 시간이 걸렸던 이유는, 마지막으로 남은 22.5˚의 공간이 진공 용기로 사용될 예정이었기 때문입니다. 진공 용기는 가스 누설을 99,99% 완벽하게 차단해야 하기 때문에 연결 부위의 용접 상태가 관건이었습니다. 국제기준에서 허용하는 용접 공차는 0.8mm였지만, 실제 연구팀에서는 0.3mm 이하를 요구했다고 합니다. 그러나 국내 최고의 용접 기술자들이 모여 회의한 결과, 0.3mm의 공차를 유지하는 것은 현실적으로 불가능하다는 결론이 나왔습니다. 따라서 ±0.5mm라는 기준으로 용접 작업이 진행되었습니다. 사실 0.5mm조차 우리나라 기술자들이 아니었다면, 불가능했을 거라고 합니다.

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70초 이상의 고성능 플라즈마 유지

2008년 6월 13일 플라즈마를 0.12초 유지하는데 성공하면서 본격적인 운영이 시작된 이래, KSTAR는 지금까지 놀라운 성과를 보여주었습니다. 그리고 2016년 현재 KSTAR는 고성능 플라즈마를 70초 동안 유지하는 데 성공합니다. 이것은 전 세계의 수많은 핵융합 토카막 융합로에서 유일하게 1분을 넘은 것이기도 합니다.

%ed%81%ac%ea%b8%b0%eb%b3%80%ed%99%98__8핵융합 발전의 폐기물=커피

여기서 문득 ‘지금 원자력발전에서 나오는 방사능 폐기물도 논란이 되는데, 미래의 원자력 기술인 ‘핵융합’은 더욱 강력한 방사능 물질이 생기는 게 아닌가?’ 이런 생각이 들 수도 있습니다. 그러나 결론부터 말씀드리면, 외부로 노출되어 인간에게 피해를 주는 방사능 물질은 거의 없습니다. 우라늄을 쓰는 핵분열 장치와는 달리 핵융합은 중수소와 3중수소를 사용하기 때문입니다. KSTAR를 운용 중인 국가핵융합연구소에 따르면, 핵융합 발전에서 나오는 방사능의 양은 현재 원자력 발전소에서 나오는 저준위 방사성 핵폐기물 정도의 수준이라고 합니다.

*저준위 폐기물은 원자력발전소에서 사용한 장갑, 볼펜 등이 속합니다. 이러한 폐기물이 뿜는 방사선은, 우리가 평소 마시는 커피에서 나오는 방사선과 같다고 할 수 있습니다. 그러나 방사능폐기물 관리원칙에 의거하여 전량 폐기합니다.

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미래를 이끌기 위해 필요한 관심

KSTAR를 중심으로 하는 우리나라의 핵융합 연구 성과는 세계에서도 TOP 수준에 속하고 있습니다. 현재 국가핵융합연구소(NFRI)에서는 KSTAR 사업의 후속으로 K-DEMO 라고 부르는 핵융합전력생산실증로를 2030년 건설을 목표로 설계 중입니다. 전 세계가 자연환경의 파괴를 막는 에너지원 개발에 몰두하면서, 더욱 안전하고 청정한 에너지원 확보 필요성이 커지고 있습니다. 21세기 차세대 에너지원이 될 핵융합 발전을 지금도 밤을 새면서 개발 중인 연구자들에게 많은 응원과 관심 부탁드립니다.

글 : 윤용현 필진
이미지 출처
Nuclear Energy
국가핵융합연구소
Sellafield Ltd
Stanford University

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