과학기술, 핵융합 발전의 원리와 개발현황

핵융합 발전의 원리

핵융합발전은 현재 원자력 발전소에서 사용하는 핵분열 에너지의 반대의 원리인 핵융합 에너지를 이용한 발전소를 말한다. 핵분열 에너지를 사용하는 기존의 원자력 발전소는 발전과정에서 발생되는 핵 폐기물의 처리방법 때문에 안전성에 대한 걱정점이 항상 동반되었다. 하지만 핵융합 발전은 핵 폐기물이 미량으로 발생되고 발생된 폐기물도 빠른 속도로 분해가 된다. 이런 점에서 핵융합 발전이 미래의 에너지원으로 손꼽힐 수밖에 없다. 핵융합의 원리를 우리가 가장 잘 이해할 수 있는 것이 태양 일겠다. 태양은 수소원자들의 융합으로 헬륨을 만들면 매초 3.8x10²⁶ W의 에너지를 생성한다.

 

태양의 에너지 발생 원리 : 두개의 수소원자의 융합을 통해 헬륨원자의 생성

이때 에너지를 만들어내는 과정은 중수소(H2)와 삼중수소(H3)가 결합하여 하나의 헬륨원자와 중성자를 생성한다. 이 과정에서 질량의 손실이 발생하여 아인슈타인의 방정식 E=MC² 의 관계에서 알 수 있듯이 줄어든 질량만큼 에너지로 변환되게 된다. 이런 반응이 다량의 수소들 사이에서 연속적으로 발생하면 고밀도의 플라즈마 상태가 유지되는데 플라즈마의 온도는 수억 도에 달한다. 핵융합 발전은 이런 플라즈마을 안정적으로 유지하여 열에너지를 얻어내는 것이 관건이다.

 

행융합 발전을 위한 시설

핵융합을 통해 발전하기 위해서는 인위적으로 제어가 가능해야 한다. 태양처럼 연속적인 핵융합 반응을 만들어 내기 위해서는 초고온과 초고압의 상태를 만들어 줘야 한다. 초고온과 초고압을 만들어 주는 방법에 따라 시설이 조금씩 달라진다. 우리나라에서 운용하는 핵융합 장치인 차세대 초전도 연구장치 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 초전도체를 이용한 자기장으로 수소의 융합반응을 만들어내는 초고온과 초고압의 환경을 만들어 준다. 반년 최근 미국에서 성공한 방식은 수소가 충진 된 실린더에 레이저를 조사하여 초고온과 초고압의 환경을 만들어 주는 방법을 선택하였다. 아래의 그림은 한국이 운용 중인 초전도 기반의 핵융합 장치의 모식도이다.

 

초전도 장치 기반의 핵융합 발정설비의 모식도

한번 반응이 일어나 초고온의 플라즈마는 수억 도의 온도까지 올라가는데 지구상에 이런 온도를 견딜 수 있는 물질이 없기 때문에 설비를 만들기가 불가능하다. 따라서 초고온의 플라즈마를  초전도 자석을 이용한 자기장으로 용기의 벽면에 닿지 않도록 제어함으로써 용기 벽명의 온도를 수천도 내외로 관리할 수 있게 된다. 한마디로 시설을 쉽게 설명하면 가정에서 사용하는 전자레인지의 원리와 동하다. 전자레인지안에 수소입자들을 충진하고 마이크로 웨이브 파로 가열시켜 주면 초고온과 초고압 상태의 플라지마가 생성되는 원리로 발전시설의 핵심시설인 핵융합로가 만들어져 있다.

 

우리나라 핵융합 발전의 도전과제

우리나라에서도 국가 핵융합연구소 주도하에 핵융합 발전을 연구하고 있다. 연구소는 2007년 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)를 국내기술로 개발하여 지속적인 연구성과를 만들어 내고 있다. 비록 미국에서 최근에 성공한 레이저를 이용한 점화방식과는 차이점이 있지만 초전도체를 통한 자기장을 이용한 토카막 방식을 이용하지만 플라즈마의 유지시간 측면에서는 세계에서 가장 긴 플라즈마 유지시간인 30초를 달성하는 성과를 가지고 있다. 하지만 발전을 위해서는 연구적인 플라즈만 유지시간이 필요하지만 앞으로 해결해야 할 도전과제들이 산적한 상태이다. 에너지의 수입의존도가 97% 우리나라의 입장에서는 1g의 수소로 8톤에 맞먹는 에너지를 생산할 수 있는 핵융합 발전 기술을 필달 해야 할 도전과제일 것이다.