[지식정보] 미래 최대 에너지 인공태양: 플라스마 상태를 통한 핵융합 발전

October 12, 2017

세계 인구는 70억 명이다. 우리나라는 인구가 늘고 있지 않지만 전 세계 인구는 2200년 안에 90억 명으로 증가할 전망이다. 따라서 지금의 화석원료를 벗어나 환경오염을 발생하지 않고 안전하고 엄청나게 많은 에너지가 당연히 중요하다. 태양, 풍력, 지열 등 친환경에너지가 중요하지만 그 경제적 효율적 측면에서 아직은 확신하질 못한다. 하지만 지금부터 약 30년 후면 태양과 같은 플라스마(Plasma) 상태를 이용한 핵융합(nuclear fusion) 에너지가 절대적이 될 전망이다.

 

핵융합 기술을 이용해 발전소를 지으면 필요한 에너지원은 바닷물에서 끌어다 쓰면 된다. 인류가 영원히 쓸 수 있는 에너지, 즉 전기 생산이 가능하다. 핵융합은 원자력발전 효율의 4배 이상이 된다. 지금의 핵분열 발전소는 위험성이 존재하지만 핵융합 발전소는 절대적으로 안전하다. 기술적인 설명이지만, 삼중수소 300g과 중수소 200g(바닷물에서 무한정 구할 수 있다)만으로 고리 원자력발전소 1호기가 4일 동안 생산할 수 있는 전기 200만㎾를 얻을 수 있다. 인류가 핵융합 발전 기술만 완성하면 에너지 걱정에서 해방이 가능하다. 발전의 원료를 바닷물에서 쉽게 구할 수 있어 온실가스도 거의 발생하지 않고 석유고갈과 지구온난화도 동시에 해결이 된다. 성공하기가 어려워서 그렇지, 일단 한번 제대로 되기만 하면 인류의 에너지 걱정은 없어지는 셈이다.

 

프랑스 카다라슈(Cadarache) 지역에 인공태양을 만드는 'ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor·국제핵융합실험로)' 건설 현장이 있다. 이 공사는 약 7개국이 공동으로 참여하여 진행 중으로 우리나라도 참여 중이다. 현재 공정률이 44.8%. 2025년 첫 플라스마가 가동되고, 2035년 첫 핵융합 반응을 하게 된다. 여기서 나온 연구결과는 7개국이 공동으로 갖게 된다. 우리나라는 KSTAR라는 세계 최초로 초전도 자석만을 사용해 만든 순수 실험용 핵융합 장치를 운영하고 있어 한국도 세계적 선두 그룹에 속해 있다. 우리나라는 핵융합 연구경쟁에 보다 많은 자금과 노력을 경주할 필요가 있다. 우리가 관심을 갖는 만큼 그 기술은 앞당겨지고 우리의 것이 된다.


 

자료:

http://news.mk.co.kr/newsRead.php?year=2017&no=659147

http://weekly.chosun.com/client/news/viw.asp?nNewsNumb=002471100014&ctcd=C05

https://www.ck12.org/book/CK-12-Physical-Science-Concepts-For-Middle-School/section/3.66/

델코지식정보

http://www.delco.co.kr/knowledge/category/%EC%9E%90%EA%B8%88%C2%B7%ED%8A%B8%EB%A0%8C%EB%93%9C

http://www.retailon.kr/on/bbs/board.php?bo_table=r1_02&sca=%EC%9E%90%EA%B8%88%2F%ED%8A%B8%EB%A0%8C%EB%93%9C

 

 

 

 

1. 프랑스 카다라슈(Cadarache) ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor·국제핵융합실험로) 건설

 

2025년 첫 플라스마가 가동되고, 2035년 첫 핵융합 반응

 

프랑스 남부지역 시골지역인 카다라슈(Cadarache)에 인공태양을 만드는 'ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor·국제핵융합실험로)' 건설 현장이 있다. 이 공사는 지금 '프랑스 원자력 및 대체에너지위원회(CEA)'가 주관이 되어 진행 중이다. 현재 공정률이 44.8%. 2025년 첫 플라스마가 가동되고, 2035년 첫 핵융합 반응을 하게 된다. 이를 위해 7개국 약 800명 연구원들이 건설에 참여.

 

ITER 프로젝트의 비용/기술공유에 7개국(미국, EU, 러시아, 인도, 중국, 일본, 한국) 참여

 

인류는 1950년대부터 핵융합을 무기가 아닌 에너지원으로 활용하려는 연구를 계속해오고 있다. ITER에는 미국, EU, 러시아, 인도, 중국, 일본, 한국(2003년 가입) 등이 활동 중. 2005년 7개국은 프랑스 카다라슈 지역에 ITER를 건설하기로 합의. 여러 나라가 뭉친 이유는 한 국가가 감당에는 핵융합 반응 유도기술이 매우 어렵고, ITER 건설비용 20조원이 지금까지 그 어떤 과학 프로젝트보다 규모가 크기 때문.

 

ITER 건설 현장은 60만㎡ 용지(축구장 60개 규모)에 연구자 800명을 포함하여, 약 1000명이 건설근무 중. 용지 한가운데는 ITER의 핵심인 핵융합 실험로 건물(지하 2층~지상 4층)이 들어선다. 높이 30m, 폭 30m의 핵융합 실험로가 들어갈 공간 주변을 3m에 달하는 콘크리트가 둘러싸고 있다. 이 콘크리트는 핵융합 연료인 삼중수소에서 나오는 방사능을 차폐하는 역할. 카다라슈 지역은 지진이 없는 안정 지반이지만, 2011년 동일본 대지진 이후 만약의 사고에 대비해, 보강 공사가 진행. 2.3만t 무게의 핵융합 실험로는 섭씨 1.5억 도까지 올라 지구에서 가장 뜨거운 지점이 된다.

 

한국은 핵융합 실험로 옆에 있는 SSAT(섹터부조립장비) 설비공사를 담당. ITER 사무차장(2인자)은 한국인

 

한국은 핵융합 실험로 옆에 있는 SSAT(섹터부조립장비) 설비공사를 맡고 있다. SSAT는 높이 23m, 중량 900t에 달하는 장비로, 2015년 9월 한국이 제작을 시작했으며 2017.09월까지 모든 부품이 ITER 내로 도착했다. 핵융합 실험로는 9개 섹터로 구분하여 SSAT는 7개국이 만든 각 섹터를 하나로 결합하는 곳. SSAT 구축이 ITER 진행 상황을 알 수 있는 '바로미터'가 된다.

 

ITER 사무차장은 지금 한국의 이경수씨가 맡고 있다. 한국형 핵융합연구장치인 'KSTAR' 건설을 주도했던 이 차장은 ITER 이사회 부의장을 역임하는 등 그동안 ITER 건설에도 적극적으로 참여해왔다. 사무차장은 사무총장에 이어 두 번째로 높은 자리로 ITER 기술 총괄을 담당.

 

ITER 2025년 첫 플라스마 가동. 첫 핵융합 반응은 플라스마 안정 운용되는 2035년. 이때까지 투자되는 약 20조원은 EU 45.5%, 다른 6개 회원국 각각 9.1% 부담.

 

현재 계획대로라면 2025년, 공사가 마무리되고 핵융합 실험로에 첫 플라스마 가동이 이뤄질 것으로 전망. 첫 핵융합 반응은 플라스마 운용이 안정적으로 자리 잡은 2035년으로 예상. 2035년까지 ITER가 사용하는 연구비용은 20조원 이상으로 EU가 45.5%, 다른 회원국이 9.1%씩 부담.

 

회원국은 ITER 프로젝트 노하우를 활용하여, 2050년 자국에 핵융합 발전로를 만들어 전력 생산 기대. 플라스마 성능은 1970년대 이후 1.8년마다 두 배씩 증가.

 

7개국 회원국은 ITER 프로젝트를 통해 얻은 노하우를 바탕으로 2050년께가 되면 자국에 핵융합 발전로를 만들어 전력 생산을 기대. 플라스마 성능은 1970년대 이후 1.8년마다 두 배씩 증가하고 있어, 청동기, 철기를 거쳐 인류가 진화했듯이 25~30년 뒤 인류는 '핵융합 시대'를 통해 진보하게 될 전망이다.

 

 

 

2. 핵융합(nuclear fusion) 설명

 

태양 에너지는 핵융합(nuclear fusion) 대표사례로 그 1초 방출양은 지구 인류가 100만년 이상을 쓸 수 있는 양. 수소 원자 2개(중수소+삼중수소)가 결합해 헬륨 원자가 생성되면서 에너지 발생. 기존 원자력 발전보다 투입연료 대비 3배 효과. 온실가스/방사성 폐기물/폐로 문제 없다.

 

태양 에너지 1초 방출양은 지구 인류가 100만년 이상을 쓸 수 있는 양이다. 이 태양에너지 원천이 '핵융합(nuclear fusion)'이다. 태양 중심부에서 수소 원자 2개가 결합해 헬륨 원자가 생성되고, 이 과정에서 만들어지는 에너지가 우주 공간으로 방출된다. 핵융합 원료인 중수소와 삼중수소 1g으로 석유 8t 분량 에너지를 만들어 낸다. 기존 원자력 발전보다 투입 연료 대비 3배나 많은 에너지를 생산한다. 온실가스도 없고 방사성 폐기물도 없으며, 폐로하는 데도 큰돈이 들지 않는다.

 

핵융합 실험로에서 토카막(Tokamak)은 핵융합 때 생기는 플라스마를 담아두는 도넛 모양의 용기. 플라스마 1억 도를 견디는 재질은 지구상에 없기에 토카막은 자기장을 이용해 플라스마가 벽에 닿지 않고 공중에 뜰 수 있도록 돕는다.

 

핵융합 실험로에서 토카막(Tokamak)이 매우 중요하다. 토카막은 핵융합 때 물질이 플라스마 상태로 변하는 연료기체를 담아두는 용기. ITER를 비롯해 많은 국가가 핵융합 실험로를 만들 때 사용하는 방식. 도넛 모양의 공간에 수소를 채운 뒤 온도를 높이면 플라스마가 생성된다. 플라스마의 온도는 1억도 이기에 이를 견디는 재료는 지구상에 없다. 토카막은 자기장을 이용해 플라스마가 벽에 닿지 않고 공중에 뜰 수 있도록 돕는다. 수소 두 개가 만나 헬륨이 만들어지면서 발생하는 에너지로 증기를 만들고, 이것이 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이 핵융합 발전의 원리다.

 

 

중수소와 삼중수소의 핵은 모두 '양극'. 서로 밀어내는 반발력을 없애고, 결합시키기 위해 플라스마로 약 3000만~5000만도 온도를 만든다. 이때 전기 공급으로 1억 도까지 상승.

 

ITER의 핵융합 반응은 중수소와 삼중수소가 결합하면서 이뤄진다. 중수소와 삼중수소의 핵은 모두 '양극'을 띠고 있는 만큼 서로 밀어내는 반발력을 갖고 있기 때문에 결합시키기 어렵다. 이를 위해 필요한 것이 높은 온도다. 플라스마로는 약 3000만~5000만도의 온도를 만들 수 있다. 전원공급 장치를 이용해 전기를 넣어주면 온도를 1억 도까지 높일 수 있다.

 

토카막 장비는 자기장을 이용해 플라스마를 부양. 이 자기장을 만들어내는 것이 냉각장비로 영하 273도로 온도를 낮추면 초전도 현상 발생하면서 저항 없는 전자석이 생성.

 

토카막 장비는 자기장을 이용해 이 플라스마를 공중에 띄운다. 이 자기장을 만들어내는 것이 바로 냉각 장비다. 섭씨 영하 273도 가까이 온도를 떨어뜨리면 초전도 현상이 나타나면서 저항이 없는 전자석이 만들어진다. 지구에서 가장 뜨거운 플라스마를, 지구에서 가장 차가운 그릇에 담는 셈이다. ITER에 있는 냉각장비로 수영장 100개 물을 동시에 얼릴 수 있다. 냉각이 잘 되어야만 에너지 손실을 줄일 수 있다.

 

토카막의 장점은 단순구조로 건설에 용이, 제작/유지보수에 저 비용. 단점은 핵융합 반응 핵심인 고용량 플라스마 전류를 장시간 안정적 유지와 정밀한 제어가 어렵다.

 

토카막의 장점은 구조가 단순해 건설이 쉽고, 적은 비용으로 제작과 유지 보수를 할 수 있다는 것. 하지만 고용량의 플라스마 전류를 장시간 안정적으로 유지하고 정밀하게 제어하기 어렵다는 게 큰 단점이다. 토카막 장치에서 초고온의 플라스마를 얼마나 오랫동안 붙잡아 두면서 제어할 수 있는지가 핵융합 반응의 성패를 가른다. 아직은 토카막이 성능 면에서 스텔러레이터보다 우세이다.

 

스텔러레이터 방식은 토카막 개념에 꽈배기 형태의 외부 코일을 여러 번 꼬아놓은 형태. 플라스마가 꽈배기 자기장을 따라 흘러 외부 유출 없이 균일한 플라스마를 형성. 장점은 플라스마 전류를 장시간 안정적 유지/정밀한 제어가 가능. 단점은 구조 복잡, 건설 어렵고, 제작비용 비싸다. 그 동안 실현 불가능한 기술로 생각하다가 컴퓨터 계산능력과 정밀공학이 발전한 덕분에 다시 부각.

 

스텔러레이터 방식 또한 자기장을 이용한 도넛 모양의 플라스마 가둠 장치라는 점에서 토카막과 같다. 차이점은 플라스마를 꽈배기 형태로 만든다는 것. 스텔러레이터는 코일 자체를 여러 번 균일하게 꼬아놓은 형태라서 플라스마가 꽈배기처럼 꼬인 자기장을 따라 흘러 바깥으로 빠져나가지 않고 균일한 플라스마를 형성한다. 이 방식은 플라스마 전류를 장시간 안정적으로 유지하고 정밀하게 제어하는 게 가능. 그러나 스텔러레이터는 구조가 꽤 복잡하고, 건설하기가 쉽지 않고 제작비용이 비싸다. 정교하게 휘어진 자기코일을 실물로 구현하기 어려워 오랜 세월 실현 불가능한 기술로 생각. 그럼에도 스텔러레이터 방식이 다시 주목받고 있는 이유는 컴퓨터 계산능력과 정밀공학이 발전한 덕분.

 

스텔러레이터 연구는 일본과 독일이 앞서. 일본 ‘거대 나선장치(LHD)’는 플라스마 발생 최장 운전시간이 1시간을 넘어 우수. 토카막 방식은 중국이 최장 운전시간 100초. 실용화 기술 점검을 위해 최소 300초 핵융합 상태가 유지가 필요. 결국 토카막은 운전시간을, 스텔러레이터는 핵융합 반응을 높이는 연구. 두 장점을 살리면 실용화가 앞당겨진다.

 

토카막 연구에 앞장서고 있는 일본, 독일, 미국 등은 스텔러레이터 연구에도 가장 열심. 일본은 1998년에 스텔러레이터 방식의 핵융합실험로 ‘거대 나선장치(LHD)’를 건설했고, 독일 막스플랑크 플라스마물리학연구소는 2015년 10월 ‘벤델스타인7-X(W7-X)’라는 핵융합로를 완공해 실험을 계속. 일본의 LHD는 특정 조건에서 플라스마 발생 최장 운전시간이 1시간을 넘을 정도로 성능이 뛰어나다. 반면 토카막 방식에서는 최장 운전시간이 100초 남짓에 불과하다. ITER를 통해 중국 연구진이 달성한 기록이다. 현 수준에서 최대 목표는 300초. 300초 동안 핵융합 상태를 유지하면 실용화에 필요한 중요 기술적 난제를 점검할 수 있을 것이라 생각하기 때문. 결국 토카막은 운전시간을, 스텔러레이터는 핵융합 반응을 높이는 연구를 하고 있는 셈. 핵융합 전문가들은 토카막과 스텔러레이터의 장점을 살리면 실용화가 앞당겨질 것으로 전망.

 

핵융합과는 달리 현존 원자력 발전인 핵분열 반응은 무거운 방사성 원소를 쪼개어 새로운 방사성 원소로 변화시키고 이 과정에서 에너지를 얻는 방식. 사용 후 핵연료는 방사성 물질이기에 안전하게 처리하는 방법이 고민거리.

 

핵융합과 비슷해 보이는 핵분열 반응은 무거운 방사성 원소를 쪼개어 새로운 방사성 원소로 변화시키고 이 과정에서 에너지를 얻는다. 이 때문에 ‘사용 후 핵연료’와 같은 방사성 물질을 안전하게 처리하는 방법을 함께 고민해야 한다. 원자력발전은 핵분열 기술이다.

 

핵융합 발전의 연료는 중수소(중성자 1개, 양성자 1개)와 삼중수소(중성자 2개, 양성자 1개). 이 둘을 초고온으로 가열하면 서로 충돌해 헬륨(중성자 2개, 양성자 2개) 하나와 중성자 하나가 생성. 중수소는 바닷물에 풍부. 바닷물 1L로 석유 300L의 에너지를 생산. 삼중수소는 리튬의 동위원소에 중성자를 충돌시켜 생성.

 

반면 ‘핵융합 발전’의 연료는 중수소(중성자 1개, 양성자 1개)와 삼중수소(중성자 2개, 양성자 1개)다. 이 둘을 초고온으로 가열하면 서로 충돌해 헬륨(중성자 2개, 양성자 2개) 하나와 중성자 하나를 만들어낸다. 다행히 중수소는 바닷물 속에 풍부하게 있다. 바닷물 1L로 석유 300L의 에너지를 만들 수 있다는 것이 과학자들의 계산이다. 삼중수소는 리튬의 동위원소에 중성자를 충돌시킴으로써 만들 수 있다.

 

고온의 플라스마 통제가 가능한 핵융합 상용화 시점은 2050년 예상. 세계 에너지 소비는 2030년 지금보다 약 60% 증가 전망. 따라서 세계가 획기적인 에너지양을 필요로 한 시점이 다가오면 올수록 핵융합 기술 완료시점은 더 빠를 것으로 기대.

 

고온의 플라스마를 통제하는 일이 어렵기에 핵융합 상용화 시점은 2050년 이후로 예상. 하지만 과학자들은 사회가 핵융합을 필요로 한 시점이 다가온 만큼 기술 완료 시점은 더 빠를 것으로 기대. 2030년까지 에너지 소비량은 지금보다 약 60% 이상 늘어날 것으로 예상되기에, 이 같은 에너지양을 만족할 수 있는 것은 원전 이후 핵융합 발전밖에 없다.

 

 

 

3. 우리나라 핵융합 기술 KSTAR

 

토카막 방식의 핵융합 연구는 한국도 세계적 선두 그룹. 2007년 8월에 완공한 ‘케이스타(KSTAR·Korea Superconducting Tokamak Advanced Research·한국형 핵융합실험로)’는 세계 최초로 초전도 자석만을 사용해 만든 순수 실험용 핵융합 장치. 초전도 자석은 극저온에서만 작동. 400가닥의 초전도 선 사이에 미세한 틈을 만들어 이 안으로 영하 268.5℃의 액체헬륨을 주입해 서서히 온도를 낮추어야 한다. KSTAR는 세상에서 가장 뜨거운 물질을 담은 세상에서 가장 차가운 그릇이다.

 

토카막 방식의 핵융합 연구는 한국도 세계적 선두 그룹이다. 1995년 개발을 시작해 2007년 8월에 완공한 ‘케이스타(KSTAR·Korea Superconducting Tokamak Advanced Research·한국형 핵융합실험로)’ 덕분. KSTAR는 세계 최초로 초전도 자석만을 사용해 만든, 순수 실험용 핵융합 장치이다. 기존의 토카막 장치는 전자석을 이용한 일반 구리로 만든 것. 그 때문에 강력한 자기장을 만들기 위해 높은 전류를 흘릴 경우, 전자석의 전기 저항으로 엄청난 열이 발생해 장치를 오랫동안 가동할 수 없었다. 따라서 KSTAR 이전의 핵융합로는 20~30초 가동하고 냉각수를 흘려주며 20~30분씩 쉬어야 해 에너지 손실이 많았다.

 

KSTAR는 이 결점을 보완하기 위해 전기 저항이 0인 초전도 자석을 적용한 초전도 토카막 장치를 사용하고 있다. 초전도란 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0K·-273℃) 가까이 냉각했을 때 전기처럼 저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 세계에서 6번째로 건설된 KSTAR에 세계가 주목하는 이유.

 

초전도 자석은 극저온에서만 작동하기 때문에 400가닥의 초전도 선 사이에 미세한 틈을 만들어 이 안으로 영하 268.5℃의 액체헬륨을 주입해 서서히 온도를 낮추어야 한다. 그래서 KSTAR는 세상에서 가장 뜨거운 물질을 담은 세상에서 가장 차가운 그릇이다.

 

KSTAR는 70초간 고성능 모드(H-모드) 운전에 성공. 이는 수소 연료 1g으로 석유 8t 분량의 에너지를 얻을 수 있는 ‘핵융합’ 기술 실용화에 필요한 중요 난관을 넘어선 것.

 

KSTAR는 70초간 고성능 모드(H-모드) 운전에 성공. 이는 수소 연료 1g으로 석유 8t 분량의 에너지를 얻을 수 있는 ‘핵융합’ 기술 실용화에 필요한 중요 난관을 넘어선 것. H-모드 운전시간이 60초를 넘으면 핵융합 과정에서 발생하는 고온의 플라스마가 불안정하게 요동치는 단계를 넘어서기 때문에 실용화에 근접한 기술력을 확보할 수 있다.

 

중국의 핵융합실험로 ‘이스트(EAST)’가 달성한 H-모드 운전시간은 60초. 한국이 이를 넘어서 70초를 운전한 만큼 실용화에 필요한 300초 달성에도 한층 가속이 붙을 전망.

 

 

4. 핵융합 발전 성공할 경우 전기 무한생산 꿈이 실현

 

핵융합 발전소를 지으면 바닷물만 있어도 인류가 영원히 쓸 수 있는 에너지. 핵융합은 원자력발전 효율의 4배 이상. 2045년경 ‘핵융합 발전’ 기술이 완성돼 인류는 전기를 무한대로 생산. 온실가스/석유고갈/지구온난화 동시에 해결.

 

핵융합은 에너지 위기에서 인류를 구할 꿈의 기술이다. 핵융합 기술을 이용해 발전소를 지으면 바닷물만 있어도 인류가 영원히 쓸 수 있는 에너지, 즉 전기 생산이 가능. 핵융합은 원자력발전 효율의 4배 이상 이다. 전문가들은 2045년경 ‘핵융합 발전’ 기술이 완성돼 인류가 전기를 무한대로 생산하는 시대가 열릴 것으로 예상.

 

삼중수소 300g과 중수소 200g만으로 고리 원자력발전소 1호기가 4일 동안 생산할 수 있는 전기 200만㎾를 얻을 수 있다. 인류가 핵융합 발전 기술만 완성하면 에너지 걱정에서 해방이 가능하다. 발전의 원료를 바닷물에서 쉽게 구할 수 있어 온실가스도 거의 발생하지 않고 석유고갈과 지구온난화도 동시에 해결이 된다. 성공하기가 어려워서 그렇지, 일단 한번 제대로 불을 붙이기만 하면 인류의 에너지 걱정은 없어지는 셈이다.

 

 


자료다운로드(PDF) : 미래 최대 에너지 인공태양: 플라스마 상태를 통한 핵융합 발전.pdf

 

 

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