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[원자력탐험대 28화] 제 2의태양, 핵융합 에너지

  • 2016.01.13.
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태양이 빛과 열을 내는 원리… 원료 무한 ‘꿈의 에너지’

우리나라의 원자력 발전 기술은 이제 세계 일류 국가들과 어깨를 나란히 하고 있다. 지난 시간 살펴본 한국형 표준 원전과 더불어 미래 에너지원으로 꼽히는 ‘핵융합’ 발전 기술이 대표적인 예다. 단어 그대로 핵분열과는 반대의 의미를 가진 핵융합은 무엇일까? 또 핵융합 발전에서 우리나라가 주목받는 이유를 살펴보자.

△아이언맨의 가슴, 핵융합 발전기

인기 공상과학(SF) 영화 시리즈인 ‘아이언맨’에서 주인공 토니 스타크 박사는 가슴에 밝은 등(?)을 달고 있어야 삶을 이어갈 수 있다. 또 이 등은 바로 초소형 핵융합 발전기다. 그는 이 발전기 덕분에 아이언맨 슈트를 입고 엄청난 능력을 내뿜는다. 이는 마치 지구의 모든 생명체가 태양으로부터 직접 전해지는 열과 빛을 이용하여 살아가는 것과 같다. 이런 태양을 발전에 이용한다면 무한한 에너지를 얻을 수도 있다. 그래서 많은 과학자가 스타크 박사처럼 인공의 태양을 만들기 위한 노력을 기울여 왔다. 즉, 핵융합 에너지는 제2의 태양인 셈이다.

핵융합은 글자 그대로 핵분열과 반대로 핵이 뭉쳐지는 현상이다. 높은 온도와 압력 아래에서 원자핵 2개가 충돌해 합쳐지면서 엄청난 에너지가 쏟아져 나온다.

태양의 경우, 수소끼리 결합하여 헬륨으로 변하는 핵융합 반응으로 큰 에너지를 내뿜는다. 플라스마란 음(-)과 양(+)의 전기를 띤 알갱이가 자유롭게 운동을 하다 일정한 기체와 섞여 원래의 전기적 성질이 사라진 상태를 말한다. 흔히, 별의 내부나 별들 사이의 공간에 있는 물질이 이 같은 성질을 갖는다.

아이언맨, 케이스타
(좌)영화 ‘아이언맨’의 한 장면. 토니 스타크 박사의 가슴엔 초소형 핵융합 발전기가 달려 있다. (우)세계적으로 인정을 받은 우리나라의 초전도 핵융합 연구 장치인 ‘케이스타’.

△핵융합으로 에너지를 만드는 원리는?

태양을 닮은 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 몇 단계의 장치가 필요하다. 먼저 수소 원자핵을 플라스마 상태로 만들어야 한다. 그리고 플라스마가 사라지지 않도록 진공 상태의 공간을 만들고, 높은 온도와 압력을 견디는 특수한 그릇인 토카막(자기력선 그물망을 이용해 핵융합 발전용 연료 기체인 플라스마를 담아 두는 용기)에 담는다. 그런 다음 플라스마에 1억 ℃ 이상의 초고온과 초고압을 가하면 핵융합 반응이 일어난다.

이때 수소 원자핵은 삼중수소와 중수소이며, 이들이 융합하면서 엄청난 에너지를 방출하면서 헬륨과 중성자를 만든다.

△현재의 원자력 발전보다 훨씬 안전

핵융합 발전도 방사성 물질이 나오지만 원전과는 비교가 안 될 정도로 낮아 안전성에서 훨씬 뛰어나다는 평가를 받는다. 게다가 핵융합의 원료가 되는 수소는 물을 전기 분해해 얻을 수 있는 무한 자원이나 다름없다. 온실 가스 배출이나 높은 방사성 폐기물이 나오지 않는 데다, 무한한 자원을 이용할 수 있으니 꿈의 에너지라 할 수 있다. 하지만 아직도 핵융합 발전을 위해서 인류가 풀어야 할 숙제는 많다.

△국제 열핵융합 실험로(ITER)와 차세대 초전도 핵융합 연구 장치(KSTAR)

현재 국제 사회는 핵융합 발전의 빠른 실용화를 위해 협력 기구를 만들고, 함께 연구 중이다. 그 대표적인 것이 바로 ‘국제 열핵융합 실험로'(ITER)이다. 한국과 미국, 중국, 일본, 러시아, 인도, 유럽연합 등 7개 나라가 중심이 되어 연구하는 실험로, 프랑스 남부 지역인 카다라슈에 건설 중이며, 2019년께 완공돼 실험을 시작할 예정이다.

이와 함께 우리나라는 대전 국가핵융합연구소의 초전도 핵융합 연구 장치인 ‘케이스타'(KSTAR)도 핵융합 연구에 한창이다. 지름 9m, 높이 6m, 무게 60t의 주장치는 1995년 건설을 시작해 2007년 9월 완공됐다. 이듬해인 2008년 6월부터 시운전을 시작해 10만 암페어 이상의 전류를 지닌 200만 ℃의 플라스마를 생성, 0.249초 동안 유지하는 데 성공했다. 특히, 케이스타는 세계에서 가장 앞선 핵융합 장치이자, 뛰어난 성능을 가진 것으로 알려져 현재 여러 나라의 과학자들이 공동 연구를 진행하고 있다.

<원자력 Q&A>
※ 기사를 읽고 원자력이나 미래 에너지와 관련해 평소 궁금했던 점을 메일(kids@snhk.co.kr)로 보내 주세요. 전문가의 자문 등을 통해 보다 알기 쉽게 여러분의 질문에 대한 답을 안내해 드립니다.

Q. 수소와 헬륨의 차이는 뭔가요?(최승연 양ㆍ서울 동일초등 6학년)

A. 지구 상에 존재하는 기체 가운데 가장 가벼운 것이 바로 수소와 헬륨이다. 이 가운데 수소는 산소와 결합해 물을 만든다. 이를 분자식으로 써 보면 H2O, 즉 수소 알갱이 2개와 산소 알갱이 1개가 합쳐지면 물을 만든다. 마찬가지로 물을 전기로 분해하면, 수소 2덩어리와 산소 1덩어리로 나뉜다. 헬륨의 경우, 목소리를 바꾸는 풍선으로 어린이들이 많이 알고 있다. 수소와 헬륨의 원소 기호는 각각 H와 He로 적는다.

 

원자력탐험대 28화

– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://goo.gl/cmrwIM

 

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