"핵융합발전 성큼 다가섰다"

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KSTAR '2025년 상용화' 향해 실험돌입
핵융합연구장치 본격가동… 적기투자 중요

순수 국산 차세대 초전도 핵융합 연구장치인 ’KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Reserch)’가 9일 본격 가동을 시작했다.

작년 7월 최초 플라즈마를 발생시킨 KSTAR가 핵융합 장치의 모든 성능 검증을 거쳐 장치 운영의 목적에 맞는 연구를 계획대로 수행할 수 있는 단계로 들어선 것이다.

▲ 국가핵융합연구소의 KSTAR은 새로운 에너지원(源) 연구로 세계의 주목을 받고 있다. 국제사회가 12조원을 투자하는 ITER사업에 KSTAR의 핵심 기술이 그대로 사용되기 때문이다./전재홍 기자

다시 말해, 핵융합에너지 개발을 위해 플라즈마 발생 단계에 중점을 두고 단계별로 개발ㆍ설치되는 첨단 부대 장치를 통해 다양한 플라즈마 운전조건 개발 등 단계별 목표 달성을 위해 장치가 가동됨을 의미한다.

앞서 국가핵융합연구소(소장 이경수) 연구진은 지난해 6월부터 KSTAR 플라즈마 발생 시운전을 시작해 최고 플라즈마 전류 133킬로암페어(kA)와 100kA 이상 플라즈마 지속시간 249밀리초(ms), 온도 200만℃를 달성하는 데 성공했다.

올해 연구진은 플라즈마 전류 300kA, 플라즈마 지속시간 2초를 목표로 세웠다.

특히 연구진은 2025년까지 핵융합장치 상용화를 위한 선행기술을 확보한다는 계획이다. 핵융합 상용화 핵심 기술은 토카막 핵융합 실험장치에서 3억℃의 초고온 고밀도 플라즈마를 300초 이상 장시간 유지해야 달성된다는 게 연구진의 설명이다.

▲ 한 연구원이 KSTAR 진공용기 내부를 점검하고 있다. /이데일리

핵융합에너지는 태양이 막대한 에너지를 생산하는 것과 같은 원리로 지상에서 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생산하는 것이다. ’인공태양’인 셈이다.

플라즈마는 원자핵과 전자들이 분리돼 있어 기체보다 훨씬 자유로운 상태로 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 4번째 상태로 불리며 이 상태에서 핵융합반응이 일어나게 된다. 태양은 높은 온도와 강력한 중력으로 99% 이상이 플라즈마이다.

고온 플라즈마 상태의 중수소 원자핵들이 충돌하면 더 무거운 헬륨이 만들어진다. 이때 헬륨 원자핵 질량이 중수소 원자핵 2개의 질량보다 약간 작으며 여기서 줄어든 미량의 질량이 아인슈타인 공식(E=mc²)에 따라 막대한 에너지로 방출된다.

핵융합에너지가 인류의 미래 청정에너지로 기대를 모으는 이유는 원료가 무궁무진하고 폐기물도 화석연료나 원자력보다 월등히 적을 뿐 아니라 폭발 등 위험도 거의 없기 때문이다.

핵융합은 바닷물에 풍부하게 들어 있는 중수소와 흙에서 쉽게 추출할 수 있는 리튬(삼중수소)을 원료로 사용한다.

에너지 생산량도 기존 화석연료나 원자력에 비할 수 없이 많다. 1ｇ의 중수소와 삼중수소 혼합연료로 시간당 10만㎾의 전력을 생산할 수 있고 바닷물 1ℓ에 들어 있는 0.03ｇ의 중수소로 휘발유 300ℓ에 맞먹는 에너지를 생산할 수 있다.

핵융합이 일어나려면 중수소와 삼중수소가 1억℃ 이상으로 가열된 초고온 플라즈마 상태로 존재해야 하고 그런 플라즈마를 안전하게 가두어놓고 핵융합을 일으키면서 막대한 에너지를 뽑아낼 수 있는 장치가 있어야 한다.

초고온 고밀도 플라즈마를 만드는 것은 현 기술로도 가능하기는 하지만 이런 장치를 경제성 있게 만들 수 있는 기술은 아직 세계 어디에도 없다.

현재 가장 앞선 기술이 적용된 사례가 바로 KSTAR와 한국 등 선진 7개국이 프랑스 카다라쉬에 공동으로 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)이다.

두 핵융합장치에는 모두 처음으로 니오븀(Nb)과 주석(Sn)으로 만든 고성능 초전도자석(Nb₃Sn)이 사용되며 KSTAR에 사용된 초전도 선재만 길이가 1만2천㎞에 달한다. Nb₃Sn은 영하 268.5℃로 냉각돼야 전류의 흐름을 막는 저항이 0이 되는 초전도체가 된다.

하지만 핵융합장치 건설과 실험에 막대한 비용이 든다는 점이 가장 큰 걸림돌이다.

이와 관련, 이날 대통령 표창을 받은 KSTAR 운영사업단 양형렬 장치기술개발부장은 “KSTAR의 본격 가동은 이젠 핵융합 발전 상용화에 성큼 다가섰음을 의미한다”며 “초전도체 상태를 위한 극저온 냉각, 섭씨 3억도 이상의 극초고온 가열 등을 위해서는 앞으로도 적기에 투자가 필요하다”고 강조했다.

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