2021년 11월 22일, 한국의 인공태양 KSTAR가 1억 도 초고온 플라스마를 30초간 유지하는 데 성공했다는 소식이 전해졌다. 전 세계에 한국 핵융합 기술 수준을 과시한 이번 연구 성과를 통해 핵융합 기술에 대해 알아보자.

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한국의 핵융합연구장치 KSTAR의 모습. 최근 1억 도 초고온 플라스마를 30초간 유지하는 데 성공했다. (출처: 한국핵융합에너지연구원)

핵융합 에너지: 탈탄소 시대를 이끌어갈 무한 청정 에너지

핵융합 에너지는 아인슈타인의 특수상대성 이론에 의해 밝혀진 질량-에너지 등가 법칙 (E=mc2)에서 착안한 에너지 생산 방식이다. 한 개의 양성자와 한 개의 중성자를 지닌 중수소와, 한 개의 양성자와 두 개의 중성자를 지닌 삼중수소가 충돌하면 헬륨 원자가 된다. 이때 헬륨 원자의 질량이 중수소와 삼중수소의 질량보다 약간 작기 때문에 수소 원자의 원자핵이 서로 뭉쳐 더 무거운 헬륨 원자로 바뀔 때 생기는 질량 손실만큼 핵융합 에너지를 얻을 수 있다. 핵융합 에너지를 내는 가장 대표적인 것이 태양이다. 태양 내부에서는 이런 핵융합 반응이 끊임없이 일어나며 빛과 열을 낸다. 그래서 핵융합 기술을 ‘인공태양’이라고 부르기도 한다.

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핵융합 반응을 나타낸 그림. 중수소와 삼중수소의 핵융합을 통해 에너지를 얻는다. (출처: Shutterstock)

핵융합 에너지는 탈탄소 시대를 이끌어갈 차세대 에너지로 각광 받고 있다. 핵융합의 연료인 중수소는 바닷물에서 얻을 수 있고, 삼중수소는 리튬이라는 금속원소를 핵융합로 안에서 핵 변환하여 얻는다. 바닷물은 사실상 무한하며, 전 세계에 매장된 리튬의 양은 현재 인류가 사용하는 에너지양을 기준으로 무려 1500만 년 동안 인류 문명을 지탱할 수 있을 만큼 풍부하다. 핵융합 연구에 성공한다면 사실상 무한한 에너지원을 획득하는 셈이다. 게다가 화력 발전이나 원자력 발전이 온실가스나 미세먼지, 방사성 물질과 같은 폐기물을 배출하는 반면, 핵융합 발전은 환경을 해치는 어떠한 물질도 배출하지 않는 청정에너지이기도 하다. 값싸게, 그리고 깨끗하게 엄청난 양의 에너지를 얻을 수 있기 때문에 핵융합 에너지는 미래 인류의 운명을 쥐고 있다고 말해도 과언이 아니다.

핵융합 기술의 난제

하지만 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 해결해야 할 수많은 난제가 남아 있다. 먼저 핵융합을 일으키기 위해서는 수소 원자핵을 합쳐야 하는데, 이를 위해 두 원자핵이 서로 밀어내는 힘인 전기력을 극복하고, 잡아당기는 힘인 핵력이 작용할 만큼 가깝게 접근해야 한다. 이는 원자핵이 일정 시간 동안 충분히 높은 운동에너지를 가진 상태를 유지해야만 가능하다. 지구에서 이런 상태를 만들기 위해서는 태양보다 뜨거운 1억도 이상의 높은 온도의 플라스마 상태가 필요하다. 플라스마는 원자핵과 전자가 분리된 기체 상태로, 초고온의 플라스마 상태여야 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다.

그런데 1억도 이상의 플라스마를 담고, 핵융합 반응이 유지되도록 가둬둘 장치가 필요하다. 이를 위해 여러 방법이 고안되었는데, 그중 ‘토카막 방식’이 주류로 자리 잡았다. 1951년 구소련에서 처음 제안한 토카막은 ‘전자석 코일을 이용한 도넛형 용기’라는 뜻의 러시아어 앞글자를 따서 만든 말이다. 먼저 토카막 내부에 강한 전류를 흘려 플라스마를 만든다. 플라스마는 전기적 성질을 띤 이온이기 때문에 거대한 코일의 자기장을 따라 도넛 안을 끊임없이 돌며 핵융합 반응을 일으킨다. 

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토카막 방식의 핵융합장치. 플라스마가 자기장을 따라 도넛 안을 끊임없이 돌며 핵융합 반응을 일으킨다. (출처: Shutterstock) 

핵융합을 일으키는 핵융합로의 출력은 자기장으로 가둔 높은 압력의 플라스마 상태를 얼마나 오래 유지하는지에 달려 있다. 플라스마 압력은 플라스마 밀도와 온도 그리고 가둠 시간에 비례하는데, ‘로손 기준’이라 불리는 조건을 만족하면 외부에서 열을 가하지 않아도 스스로 핵융합을 유지하는 ‘점화 상태’에 돌입한다. 따라서 핵융합 연구의 성패는 로손 기준을 만족할 수 있는지에 달려 있다고 말해도 과언이 아니다. 가능한 한 더 높은 밀도, 높은 온도, 오랜 시간 동안 안정적으로 플라스마 상태를 유지해야 로손 기준을 충족할 수 있다.

한국의 KSTAR부터 초국가적 프로젝트 ITER까지

우리나라는 이미 1995년에 핵융합 에너지 개발을 선언하고 한국형 핵융합장치인 ‘KSTAR’(한국 초전도 토카막 개발 연구; Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 건설을 발표했다. 당시는 러시아, 미국, 영국, 그리고 독일만이 핵융합 연구를 위한 장치를 보유하고 있는 상황이었다. 우리나라의 기술 수준으로는 무리라는 부정적인 의견이 나오기도 했으나 2007년 9월 무사히 건설을 마쳤고, KSTAR는 이듬해 시운전 중에 최초로 플라스마 발생 실험에 성공하며 이러한 우려를 불식시켰다. 이후 2018년도 1억도 1.5초 달성, 2020년 20초간 유지, 2021년 30초 유지까지 계속해서 성과를 내고 있다. 

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 KSTAR가 최초로 플라스마 발생 실험에 성공한 모습. (출처: 한국핵융합에너지연구원)

특히 지난해 30초 기록은 ‘내부수송장벽(ITB)’이라는 기술 덕분으로, 융합로 내부에 플라스마 장벽을 쌓아 고온을 최대한 유지할 수 있도록 만든 것이다. 연구진은 앞으로 핵융합 반응 과정에서 생성된 헬륨과 같은 불순물을 핵융합로 외부로 배출하는 장치인 ‘디버터’를 설치할 예정이다. 이를 통해 운전 시간을 연장해 2026년에는 1억 도를 300초간 유지할 계획이다. 한국핵융합에너지연구원은 300초 조건을 핵융합 발전소 운영에 필요한 최소 기준으로 보고 있다. 300초를 유지할 수 있다면 핵융합로 내부에서 플라즈마의 움직임을 완벽히 파악하고 제어할 수 있어 대부분의 불안정 요소를 확인할 수 있을 것으로 예상되기 때문이다. 따라서 300초는 핵융합 발전소를 건설해 24시간 365일 발전해도 무리가 없다는 뜻이다.

환상의 에너지로 여겨졌던 핵융합 에너지의 가능성이 눈앞에 다가오자 세계 각국의 정부는 물론 민간 기업도 연구에 뛰어들고 있다. 1951년에 이미 핵융합로를 개발할 만큼 오랜 역사를 지닌 미국은 주로 민관 협력의 형태로 핵융합 연구를 지원 중인데, 재료공학, 시뮬레이션, 플라스마 이론, 관리자 AI 등 핵융합 발전에 필요한 기초 기술 개발에 주력하고 있다. 오래전부터 핵융합 연구를 주도해온 유럽은 2005년부터 프랑스 남부 지방에 ‘ITER(국제 핵융합 실험로)’을 유치하고 건설 비용의 절반을 부담하는 등 적극적으로 핵융합 연구에 나서고 있다. ITER은 수십 년 동안 유럽, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도, 그리고 우리나라가 참여하는 초국가적 프로젝트로 2025년부터 시운전을 시작할 예정이다. 

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프랑스에 건설 중인 ITER 토카막 장치. (출처: ITER)

일본은 1998년에 임계 플라스마 실험장치 JT-60을 운행하여 국제 핵융합 실험로 ITER 건설에 필요한 고압력 플라스마를 24초간 유지하는 데 성공했다. 이러한 성과를 바탕으로 작년 3월에는 기존의 핵융합로보다 더 강력한 JT-60SA 건설을 마치고 연구에 박차를 가하고 있다. 100년 후 전 세계 에너지 사용량의 절반을 차지할 것으로 예상되는 인도와 중국도 핵융합 연구를 적극적으로 추진 중이다. 중국은 2008년부터 2015년 사이에 핵융합과 관련한 113개의 프로젝트에 6,400억 원을 지원했으며 앞으로 1조 2천억을 추가로 투자할 예정이다. 이미 1989년에 자체 핵융합로인 ADITYA를 건설하고 운영 중인 인도는 2005년에 추가로 핵융합로 SST-1을 완공해 핵융합 연구를 이어나가고 있다.

글: 이형석 과학칼럼니스트/일러스트: 이명헌 작가

*본 콘텐츠의 저작권은 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 있습니다.