핵융합 에너지는 미래 에너지원으로 환경운동가들과 과학자들이 기대하는 기술이다. 논란의 원자력 발전소의 핵분열과 미래에너지원으로서의 핵융합 에너지 기술은 다르다. 한국은 핵분열과 핵융합 양쪽 기술에서 우수하다.
2022년 2월 유럽JET의 성과로 인공태양 구현의 새 이정표를 세운데 이어 2022년 11월 미국 리버모어 연구소가 핵융합 반응에서 투입에너지보다 150% 많은 순수한 에너지를 생산하는데 성공했다. 신규원전 지을 돈으로 핵융합 기술 연구에 더욱 투자하자는 의견도 있다.
1. 핵분열과 다른 핵융합 에너지 기술과 미국 리버모어 연구소 성과
핵융합도 원자력 발전소처럼 핵 에너지를 사용하나 작동방식이 정반대인 핵융합이다. 핵융합은 두 개의 원자핵을 부딪혀 새로운 무거운 원자핵으로 변환되는 반응이다. 이 과정에서 줄어든 질량만큼 중성자가 나완다.
이 때 중성자가 가지고 있던 엄청난 에너지가 열에너지(섭씨 1억도 이상)로 바뀌는데 이를 전기 에너지로 변환해 전력을 만드는 것이 바로 핵융합 에너지 기술이다.
https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7
핵융합은 컵 하나 분량의 수소를 원료로 탄소와 방사성 물질 배출이 중저준위로 소량만 나와 청정 에너지를 쉽게 얻을 수 있다.
핵융합하면 떠오르는 것은 바로 하늘 위에 태양이다. 맞다. 같은 원리이다. 태양 내부에서도 이런 핵융합이 계속 일어나고 있다. 이런 이유로 핵융합 발전을 인공태양이라고도 부른다. 핵융합에너지를 위한 모든 조건은 1939년 이미 알려졌다.
2022년 11월 미국 캘리포니아에 있는 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)가 제어된 핵융합 반응에서 순수 에너지를 얻는데 성공했다. 파이넨셜 타임스가 최초 단독보도했다.
실험에서 거대 레이저에 투입된 에너지량의 150%에 달하는 에너지가 만들어졌다. 이는 70%정도 생산하던 이전 실험결과와 비교해서 비약적인 진전이다.
투입한 에너지의 대략 3분의 2정도밖에 얻지 못한 지금까지의 실험 결과를 두배 늘리고도 20%의 잉여 에너지를 만드는 수준에 도달한 거라고 과학계는 평가한다.
리버모어 연구소는 미국의 3대 핵무기 연구소이고 레이저 핵융합 연구장치인 국립점화시설(NIF)이 있다. 미국 연방정부 에너지부도 워싱턴DC에서 기자회견을 열어 이 사실을 공표했다.
연구소측도 연구를 다시 한번 확인하고 분석이 끝나는 대로 공식 발표할 예정이다. 이전에 미국 핵융합 연구소에서 관련 기술로 성공했다는 오보가 있었다.
2. 영국 원자력청UKAEA 핵융합기술 장치 JET의 최근 성과
영국원자력청은 옥스퍼드에 핵융합 연구를 위한 기계장치 제트(JET, Joint European Torus)를 운영한다. 제트가 2022년 2월 10일 약 5초간 총 59메가줄(MJ)의 열에너지를 생성하는 성과를 냈다.
이 에너지 양은 일반 평균 가정에서 반나절 사용할 수 있는 전력으로 11메가와트에 달한다. 이번 기록은 1997년 제트가 세운 생산량 기록보다 2배 더 강력하고 1초 더 길다.
핵융합 핵심조건은 섭씨 1억도의 초고온 플라즈마 유지이다. 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 유도하려면 핵융합로 내부에 중수소, 삼중수소를 넣어 이온핵과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 만들도 이온온도를 1억도 초고온으로 가열해야 한다.
* 토카막(토카마크tokamak): 핵융합 발전에서 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 도넛 모양의 장치이다. 토로이트 자기장 구멍이라는 러시아어의 앞글자를 따서 만든 단어이다.
원자핵과 전자가 분리되어 전하를 띠는 플라즈마의 성질을 이용하여 강한 자기장으로 공중부양 시켜 핵융합 에너지를 가두는 그릇이 토카막이다. 자기장이 있으면 플라즈마 입자가 자기장을 따라 나선을 그리며 뱅뱅 돌면서 붙잡혀 있게 된다.
제트의 실험실 인공태양 기술연구는 유로퓨전EuroFusion 프로그램이라고 불린다. 이 프로그램 관리자로 40년간 제트에서 연구를 하는 ‘토니 도네’님은 “5초 동안 섭씨 1억도의 핵융합을 유지할 수 있다면, 추후 5분, 5시간 동안 확장시킬 수 있다”는 비젼을 밝혔다.
‘이안 채프먼’ 영국 원자력청 최고경영자는 다음과 같은 큰 그림을 그리고 있다.
“기후변화에 대응하기 위해 큰 변화를 이뤄야 한다. 핵융합은 많은 잠재력을 제공한다. 우리는 미래 세대를 위해 저탄소, 지속가능한 에너지 공급에 필요한 지식을 구축하고 새 기술을 개발하고 있다”
영국의 제트 말고도 개발 중인 핵융합 기계가 프랑스에 있다. 프랑스는 ITER(International Thermounuclear Experiantal Reactor 국제 핵융합 실험로)라는 핵융합 기계를 개발중이다.
기계 완성의 공정률이 현재 75%를 넘었다. Q3, Q5을 매진중이고 최종 Q30을 향해 가고 있다. 이는 제트와 구조는 유사하나 실제용으로 규모가 훨씬 크고 2025년 실험을 시작한다.
한국이 뛰어난 기술력으로 참여하고 있다. 2060년 상용화를 목표로 하고 있다.
미국은 핵융합 기술이 2050년 상용화가 가능하다고 예측한다. 중국도 달려들어 연구하고 있다.
3. 한국, 프랑스의 성과와 전세계 핵융합 연구자회의 IAEA 핵융합에너지 컨퍼런스
한국이 인공태양 기술 분야에서 앞서나가고 있다. 한국에는 인공태양 기계장치 KSTAR가 있고 영국의 제트보다 더 먼저 성공했고 더 오래 작동한다. 8초를 넘어 2020년 20초 연속으로 운전에 성공했고 그 후 10초를 더 추가 운전에 성공했다. 이 분야에서 세계를 선도하는 연구 성과이다.
단, 한국은 플라즈마 상태를 오래 유지만 했고 에너지를 생산하는 발전은 아직 안했다. 전력생산까지 가능한 실증로 예비개념설계를 2023년에 착수할 예정이다.
핵융합 반응이 활발히 일어나도록 초고온 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 유지하는 것이 핵융합에너지 상용화를 위한 핵심기술이다. 불안정한 연소 플라즈마 통제와 삼중수소 자급자족 문제를 해결해야 한다. 블랭킷과 다이버터 등 핵융합로 주요 장비들의 수명과 교체 문제가 있다.
KSTAR는 국내 초전도 핵융합연구장치이고 핵융합에너지 상용화 기술 확보를 위해 태양에너지의 원리인 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마 실험을 수행하는 연구시설이다. 핵융합로 난제 해결을 위해 플라즈마 붕괴완화 실험 등 80여 개 주제로 실험을 수행한다.
전세계 핵융합 연구자회의 IAEA 핵융합에너지 콘퍼런스. 2년마다 열리는 ‘핵융합 올림픽’이다. 2019년 대전에서 제23회가 개최되었다. 교육과학기술부와 국제원자려기구(IAEA)가 공동 주체했다.
핵융합에 관한 최신 연구성과와 비전을 공유한다. 인공태양으로 불리는 핵융합 관련기술의 현주소를 파악하고 전세계 전문가들이 모여 협력하고 교류하는 장이다. 지구가 당면한 여러 현안을 해결하며 2050년을 넘기고 시간이 더 흘러서 해내도 지구가 존재하면 다행이다.
기후위기로 인해 전세계가 2050년까지 탄소 순배출량이 0이 되는 탄소중립사회로의 전환을 위해 노력하고 있다. 핵융합에너지 성과는 연구실 수준과 실증로는 규모 수준이 다르다. 탄소중립은 2050년이 목표인데 핵융합에너지 기술 상용화가 그때까지 될지 지켜보자.
미국 LLNL과 영국 유럽연합의 JET가 핵융합에너지 성과를 내기 시작했다. 한국의 인공태양 기계장치 KSTAR가 영국의 제트보다 더 먼저 성공했고 더 오래 작동해서 10초 추가 운전에 성공했다.현재 기술로는 핵융합 에너지를 가두는 데 더 큰 에너지가 쓰인다. 그러나 새로운 기술의 특이점(도약점)은 한 순간에 온다.
