핵융합 연구장치 세계 최초 운전 성공…플라즈마 발생 전 세계적으로 에너지 전쟁이 날이 갈수록 치열해지고 있는 가운데 지난 15일 국가핵융합발전소는 우리나라의 핵융합 연구장치인 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)가 지난달 최초 플라즈마 발생에 성공했다고 발표했다. KSTAR는 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 인공적으로 만들어 미래 에너지원으로 개발할 수 있도록 연구하는 토카막 장치(핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치)이다.
KSTAR는 앞으로 핵융합에너지 상용화에 필수적인 초고온 고밀도 플라즈마의 장시간 운전기술(3억도, 300초)을 확보하는 실험을 수행하게 된다. ⊙ 꿈의 청정 에너지인 핵융합에너지태양과 같이 스스로 빛을 내는 별들은 핵융합반응을 통해 에너지를 발생시킨다. 별들의 중심은 1억도 이상의 초고온 플라즈마 상태다. 이런 상태에서는 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 일어난다. 이 융합 과정에서 나타나는 질량 감소가 엄청난 양의 에너지로 방출되는데 이를 '핵융합에너지'라고 한다.
이는 아인슈타인의 특수상대성 이론 E＝mc²를 바탕으로 하며, 이와 대조적으로 핵분열반응을 이용한 것이 원자력발전이다. 하지만 지구는 태양처럼 핵융합 반응이 일어날 수 있는 초고온·고압 상태의 환경이 아니기 때문에 자기장이나 레이저를 이용해 태양과 같은 환경을 인공적으로 조성하는 '핵융합로'를 만들어야 한다. 우선 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치와 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다. 수억 도의 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있다.
핵융합장치는 이 같은 초고온의 플라즈마를 진공용기 속에 넣고 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두어 핵융합반응이 일어나도록 하는 원리를 갖고 있다. 이 때문에 핵융합장치 벽면에 직접 닿는 부분의 온도는 수천 도에 불과하다. 핵융합장치는 이처럼 태양에서와 같은 원리로 에너지를 만들어 낸다고 해 '인공태양'이라 불리기도 한다. 핵융합에너지는 이산화탄소 발생이 없어 지구온난화를 야기하는 온실가스를 배출하지 않으며 원자력발전의 0.04%에 불과한 소량의 방사능에 의한 중·저준위 폐기물이 일부 발생하지만 길어도 100년 이내에는 모두 재활용이 가능해진다. 따라서 원자력발전처럼 장기적 폐기물 처리시설이 필요하지 않다.
연료 공급이 중단되면 1~2초 내로 운전이 자동정지해 발전소 폭발, 방사능 누출 위험도 없다. 아울러 바닷물에 풍부한 중수소와 지표면에서 쉽게 추출할 수 있는 리튬을 원료로 하기 때문에 자원이 거의 무한하다고 할 수 있다. 또한 1g의 중수소와 삼중수소의 혼합연료로 시간당 10만㎾ 전기를 생산할 수 있으며 300g의 삼중수소와 200g의 중수소만으로 100만㎾급 발전소 2기를 하루 가동할 수 있을 정도로 효율이 높다.
⊙ 국제핵융합실험로(ITER) 공동개발사업라틴어로 '길'을 뜻하는 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)는 국제 협력 하에 500㎿급 핵융합발전 실험로를 건설하는 프로젝트로 한국 유럽연합(EU) 일본 러시아 미국 중국 인도 등 7개국이 공동으로 참여하고 있다. ITER는 세계 유일의 핵융합실험로이며 상업용핵융합로로 이어지는 핵융합 전략 로드맵에서 핵융합에너지의 실용화를 위한 과학적,공학적 가능성을 최종적으로 검증하는 단계이다.
ITER사업은 지난 40년간 세계 핵융합실험 장치들이 이루어 낸 실험 결과들을 종합해 핵융합에너지 상용화를 공학적으로 점검하는 것으로 이후 실증로를 거쳐 상용화 발전에 돌입한다. 2006년 착공해 2015년 완공 목표로 프랑스 카다라쉬에 건설 중인 ITER는 건설비만 총 51억유로가 투입되는 거대 프로젝트다. 우리나라는 ITER사업에 선진국과 대등하게 참여함으로써 과학기술 강국으로서의 국제적 위상을 제고하며 첨단 핵심기술 및 대량 생산기술을 확보해 에너지 종주국으로 도약하는 기회를 마련할 수 있다. 특히 핵심 부품을 국내 기술로 제작해 산업체 경쟁력을 강화하며 이를 통한 생산유발 효과는 수백억 원대에 이를 전망이다.
ITER 운영 과정 참여를 통해 한국형 실증로 및 상용로 개발·운영에 필요한 핵심기술을 확보할 수 있다. ⊙ KSTAR은 한국의 인공태양우리나라가 에너지 강국으로 발전할 수 있는 기반이 될 KSTAR는 ITER의 약 25분의 1 규모로 ITER 완공 때까지 ITER 건설 및 운영에 필요한 기초실험 기술자료를 상호 보완적으로 제공하며 한국형 핵융합실증로 건설에 필요한 독자적인 연구를 수행하게 된다. KSTAR는 니오븀주석합금(Nb₃Sn)을 활용한 핵융합 연구장치로서는 세계 최초로 운전에 성공했다.
이로써 한국 미국 일본 EU 등 7개국이 동일한 초전도 재료를 사용해 추진 중인 ITER의 성공 가능성에 더욱 힘이 실리게 됐다. 연구진은 6월부터 KSTAR의 플라즈마 발생 시운전을 시작해 최고 플라즈마 전류 133킬로암페어(㎄)와 100㎄ 이상 플라즈마 지속시간 249밀리초(㎳)，온도 200만도를 달성하는 데 성공했다. 이는 핵융합연구소가 당초 KSTAR 최초 플라즈마의 목표치로 잡았던 플라즈마 전류 100㎄, 지속시간 100㎳를 크게 뛰어넘는 성과다.
KSTAR와 ITER 프로젝트가 성공적으로 완료돼 2050년부터 핵융합발전소가 신규 전력 수요를 대체하면 2070년대까지 100만㎾ 핵융합발전소를 60기 이상 건조해 국내 전력 수요의 30% 이상을 담당하게 될 전망이다.
