핵융합 인공태양 KSTAR의 개념

[에너지혁명] 1억℃ 핵융합하는 인공태양 KSTAR!

■ 인공태양 KSTAR:

일명 인공태양으로 불리는 한국초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 완공돼 우리나라가 국제 핵융합 연구 경쟁의 선진대열에 우뚝 올라섰다. 한국기초과학지원연구원 국가핵융합연구소는 한국형 핵융합로 건설 공사를 마무리하고 2007년 9월 부터 본격적인 시운전에 돌입한다고 한다.

이로서 우리나라는 미국, 유럽연합(EU), 일본, 중국, 러시아에 이어 세계에서 6번째로 핵융합로를 개발에 성공, 인류의 새로운 에너지원으로 주목받고 있는 핵융합 발전기술 경쟁의 선발주자로 거듭났다.KSTAR는 한국형 핵융합로의 개발을 목표로 1995년부터 현대중공업, 삼성중공업, 한국원자력연구원 등 30여 개 연구소 및 기업과 공동 개발에 착수해 무려 12년만에 결실을 맺었다.

투입된 자금만도 약 3090억 원이며, 특히 핵융합로의 핵심부품인 중성자빔 가열장치 등 모든 부품을 순수 국내 기술로 제작됐다. KSTAR는 앞으로 핵융합이 실제 발전에 활용 가능한지를 연구하는 시설로 활용된다. KSTAR는 기술·기능·설계적 측면에서 지구상에 현존하는 핵융합 장치 중 최고 수준의 플라즈마를 만들어 낼 것이라는 기대를 모으고 있다.

실제 기존의 핵융합로 보유국과 인도, 우리나라가 함께 추진하는 국제핵융합실험로(ITER)는 KSTAR를 기본 모델로 건설 중이다. 한국은 관련 기술의 우수성을 인정받아 ITER의 핵심설비와 부품을 공급하게 된다. 2015년 완공 예정인 ITER의 크기는 KSTAR의 25배에 달하며 총 건설비 역시 10조원에 육박한다.

핵융합은 수소 원자핵끼리 합쳐지면서 에너지를 내뿜는 현상으로, 우라늄핵이 쪼개지면서 생긴 열을 이용하는 원자력 발전과 정반대의 원리다. 특히 폭발위험성이 없고 원자력 관련 폐기물이 거의 나오지 않아 차세대 청정에너지원으로서 전세계의 연구경쟁이 뜨거운 분야다.

■ KSTAR를 개발하는 이유:

최근 전 세계적으로 에너지 전쟁은 갈수록 치열해지고 있다. 세계 각국은 안정적인 석유와 천연가스 확보에 총력을 기울이고 있고 화석연료를 대체할 새로운 에너지 개발에 적극적으로 나서고 있다. 하지만 한국 상황은 그리 좋지 않다. 에너지 수입 의존도가 97%에 달하지만 석유소비는 세계에서 7위, 전력소비는 세계에서 12위를 기록하고 있는 에너지소비 대국이기 때문이다.

한마디로 기름 한 방울 나지 않는 나라지만 에너지 소비량은 엄청나서, 만약 국제적인 에너지 수급구조에 문제가 생기면 다른 어떤 나라보다도 타격이 클 수 있기 때문이다. 이런 상황에서 현재 전 세계가 주목하고 있는 기술이 핵융합 발전이다. 핵융합을 통해 안전하고 값싼 전력을 생산하는 기술이기 때문이다.

하지만 아직 전력을 생산하기까지는 해결해야 할 기술적인 어려움이 많다. 그래서 미국 러시아 프랑스 일본 중국 등 세계 주요 강대국은 이 분야 기술을 실용화하기 위해 치열한 경쟁을 하고 있고, 한국도 이번에 초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 만들어 본격적인 연구를 시작하게 된 것이다.

■ 핵융합 에너지:

핵 발전소에 대해 들어본 사람은 많을 것이다. 이미 한국이 소비하는 에너지 중 40%를 원자력 발전소에서 공급받고 있다. 원자력 안전 분야 전문가들은 원자력 발전소에는 이중, 삼중의 안전장치가 적용돼 있어 99.9% 안전하다는 평가를 내린다. 하지만 원자력 발전소는 방사능을 발생시키는 폐기물이 생기는 데다 만에 하나 냉각계통 고장 등 통제불능 상황이 생길 때 심각한 문제를 일으킬 가능성을 안고 있는 것은 사실이다.

그래서 보다 더 안전하고 청정한 것으로 평가받는 핵융합 에너지가 주목받고 있는 것이다.
핵융합은 원자력 발전소가 이용하는 핵분열 원리와 반대되는 물리현상이다.

보다 쉽게 설명하면 태양과 같이 스스로 빛을 내는 별들도 바로 핵융합 반응을 통해 에너지를 발생시킨다. 태양 같은 별의 중심은 1억도 이상 초고온 플라즈마 상태이다. 이런 상태에서는 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 서로 합쳐지면서 보다 질량이 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 일어난다. 이런 융합반응의 결과물로 엄청난 빛과 열이 발생하게 되고, 이 에너지를 바로 핵융합 에너지라고 한다.

■ 핵융합 에너지를 얻는 방법:

하지만 지구상에는 태양처럼 핵융합 반응이 일어날 수 있는 초고온, 초고압 상태는 존재하지 않는다. 그래서 자기장이나 레이저를 이용해 태양과 같은 환경을 인공적으로 조성하는 `핵융합로`가 필요한 것이다. KSTAR 내부는 '도넛' 형태로 만들어져 있다. 이 안에 연료인 중수소를 투입하고 중성입자나 마이크로파를 이용한 가열장치로 섭씨 수천만도~3억도까지 기기 내부 온도를 높이게 된다.

우선 플라즈마 발생을 위해 핵융합 장치 내부를 완벽한 진공상태로 전환시켜야 한다. 다음 단계로 초전도자석을 극저온(영하 269도)으로 냉각한 뒤 전류를 넣게 된다. 이 상태에서 중수로를 진공용기에 주입하면 플라즈마가 만들어집니다. 여기에 가열장치로 플라즈마 온도를 1억도 이상 유지하면 마침내 핵융합 반응이 나타난다.

그러나 핵융합 발전이 가능하려면 핵융합 반응이 안정적이고 지속적으로 나타나야 한다. 이를 자유롭게 제어도 할 수 있어야 한다. 결국 핵융합로 내부에 수억도 플라즈마를 지속적이고 안정적으로 발생시키고, 이를 이용해 터빈 등을 돌리면서 전기를 얻게 되는 것이다. 하지만 아직 이런 실용화 기술을 확보하기 위해서는 갈 길이 멀기만 하다. 현재 기술 수준에서는 30년 이상 시간이 필요하다는 것이 전문가들의 견해이다.

■ 관련 용어

▶ 핵분열(Nuclear Fission):

우라늄(U235)의 원자핵이 중성자를 만나면 3개의 중성자와 분열조각들, 그리고 핵분열 에너지를 생성하는 것을 말한다.
Nuclear Fission: N(중성자) + U235 => Fission Fragment(분열조각) + N (중성자) + Energy

▶핵융합(Nuclear Fusion):

1억℃ 이상의 고온에서 가벼운 원자핵이 융합하여 보다 무거운 원자핵인 헬륨이 되는 과정에서 에너지를 창출해내는 방법으로 이 과정을 이용하여 수소폭탄이 만들어졌다. 이 핵연료는 무한하며, 방사성 낙진도 생기지 않고 유해한 방사능도 적다.

Nucleat Fussion: D(중수소) + T(삼중수소) => 4He(헬륨) + N(중성자) + Energy

▶플라즈마(Plasma):

기체 상태의 물질에 계속 열을 가하여 온도를 올려주면, 이온핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체가 만들어진다. 물질의 삼태인 고체, 액체, 기체와 더불어 '제 4의 물질상태'로 불리어지며 이러한 상태의 물질을 플라즈마라고 한다. 즉, 고체 액체 기체가 아니라 원자핵과 전자가 분리된 제4의 물질 상태다. 번개나 오로라, 형광등, 네오사인 등도 플라스마에 해당된다.

▶토카막(Tocamak):

태양처럼 핵융합 반응이 일어날 때 물질의 제 4상태인 초고온 플라즈마 상태로 변하는 핵융합 발전용 연료기체를 자기장으로 가둬두는 장치이다. KSTAR도 이 장치로 플라즈마의 온도를 3억도까지 올릴 계획이다.

▶국제핵융합실험로(ITER):

International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER는 라틴어로 ‘길’이라는 뜻)

핵융합에너지 상용화를 위한 세계의 노력과 그 결실토카막 설계에서 출발하여 에너지 분기점(주입에너지=방출에너지) 도달까지 걸린 시간은 약 50여년이었다. 그리고 투입된 연구개발 비용은 세계 30여개 나라에서 약 3백 20억 달러였다.

이제 핵융합 에너지 상용화를 위해 EU, 일본, 러시아, 미국, 중국, 한국이 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 건설이 본격적인 추진을 앞두고 있다. 10년의 건설기간동안 총 50억 달러 규모의 건설비가 소요될 ITER 건설은 핵융합 에너지 상용화를 위한 최종 기술적, 공학적 검증을 목표로 하는 대형 국제협력 프로젝트 이다.



▶세계 핵융합에너지 상용화 전략

from sisa IN/sisa Focus 2008/10/07 05:16