인공태양의 실현에 성큼 다가가다

인공태양의 실현에 성큼 다가가다!

대학생신재생에너지기자단 17기 서유경단원

 

 여러분이 영화 아이언맨을 봤다면 아이언맨의 심장에 위치한 작은 아크원자로가 어떻게 그렇게 큰 에너지를 만들어내는지 궁금했을 것이다. 이는 아크원자로가 바로 작은 핵융합로이기 때문이다. 즉, 아이언맨은 작은 인공태양을 에너지원으로 사용한다.

 

 그렇다면 현실에서도 인공태양이 가능할까? 답은 YES다! 아직 핵융합 발전소(인공태양)는 우리에게 생소하지만, 최근 핵융합 에너지가 고효율의 청정에너지로 주목을 받으면서 많은 연구가 이루어지고 있다.

 

 이에 세계가 핵융합 발전(인공태양)을 주목하는 이유와 원자력 발전과 핵융합 발전의 차이점을 알아보려 한다. 그리고 마지막으로 국내외의 연구 성과에 대해 알아본다.

 

1. 신재생에너지에 대한 관심과 핵융합 발전에 주목해야 하는 이유

 

 에너지 고갈에 대한 전 세계의 우려는 시간이 지날수록 깊어지고 있다. 최근 이상기후 현상의 심화로 인간의 무분별한 생태계 훼손 및 오염으로 인해 위기를 느낀 여러 나라들은 화석연료를 지속 가능한 청정에너지로 전환을 서두르고 있다. 

 

 그 예로 말레이시아의 2030 정책(2030년까지 말레이시아는 에너지 구성에서 재생에너지 비율을 30%로 목표함)과 세계적인 기업들이 참여하고 있는 RE100 캠페인(Renewable Energy 100%, 신재생에너지만으로 기업이 사용하는 전력량 100% 를 충당하는 것을 목표로 하는 캠페인) 등과 같은 노력들이 있다.

 

 신재생에너지를 생각하면 사람들은 수소 배터리, 수력 또는 태양광 발전 등을 떠올린다. 하지만 핵융합 발전은 이들과 차별화된 특징을 가지기에 세계가 주목하고 있다.

 

 현재 전 세계 에너지 생산량의 80%가 지하 지원으로부터 온다. 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료는 대기 오염과 기후 변화를 일으키고 원자력연료는 단기간에 처리하기 어려운 폐기물을 남긴다.

 또한 앞서 언급한 풍력, 태양열, 지열 등의 대체 에너지원은 대용량의 에너지를 안정적으로 공급할 수 없다는 단점이 있다.

 

 

[자료 1. 핵융합에너지의 특징]

출처 : 국가핵융합연구소 홈페이지

>> 이러한 문제점을 해결해줄 수 있는 핵융합 발전! <<

 

 핵융합 발전은 바닷물로부터 수소를 얻기 때문에 온실가스와 고준위 방사성 폐기물의 발생 위험이 없다. 바닷물 1L에 들어 있는 중수소 0.03g은 휘발유 300L와 같다.

 

 연간 소모되는 연료의 양을 석탄 또는 석유로 환산하면 220만 톤의 석탄, 150만 톤의 석유에 이른다. 하지만 핵융합 발전의 경우 10톤의 물이면 충분하다. 또한 핵융합 발전의 연료인 중수소의 전체적인 양은 약 1500만 년이나 사용할 수 있을 정도이다.

 

 마지막으로 핵융합 에너지는 폭발 위험이 없는 안전한 에너지이다. 그 이유는 원자력 발전소와 핵융합 발전소를 비교하여 설명할 수 있다.

 

 

2. 원자력 발전소와 핵융합 발전소의 차이

 

 우리가 경험한 체르노빌, 후쿠시마 원전 폭발 사고 때문에 ‘핵(Nuclear)’에 대해 안좋은 인식이 있다. 따라서 핵융합 발전소도 큰 폭발의 위험이 있어보인다.

하지만 여기서 원자력 발전소와 핵융합 발전소의 차이를 주목해야 한다. 원자력 발전소는 핵분열 반응을, 핵융합 발전소는 핵융합 반응을 기반으로 한다.

 원자력 발전소는 원자로 내부의 연료가 연쇄적인 핵분열 반응을 일으켜서 큰 에너지를 발생시킨다. 따라서 연쇄적인 핵분열 반응을 조절하여 우리가 얻고자 하는 만큼의 에너지만 나오도록 하는 기술이 중요하다. 하지만 갑작스러운 사고로 반응을 조절할 수 없게 된다면 남은 연료가 한꺼번에 반응하여 너무나 큰 에너지가 방출되게 되고 폭발이 일어난다.

 

 반면, 핵융합 발전소는 플라스마 상태를 유지하는 것에 많은 노력이 필요하다. 또한 원자로와 달리 핵융합로는 연료로 쓰이는 중수소가 외부로부터 공급된다. 따라서 갑작스러운 사고가 일어나게 되면 외부로부터 연료 물질 공급이 차단되며 플라즈마 상태를 유지할 수 없게 된다. 그렇게 된다면 폭발이 일어나는 것이 아니고 반응이 중단된다.

 

 

3. 핵융합 연구 현황 및 사례

 

#1950~60s #러시아 #토카막_개발

 

 

[자료 2. 토카막 장치의 구조]

출처 : 국가핵융합연구소 홈페이지

 1950년대부터 본격적으로 핵융합에 대한 관심이 생겨났다. 가장 먼저 러시아에서 토카막(Tokamak, 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용하여 가두는 도넛형 장치)을 발명하면서 핵융합 이론 정립 및 기초연구 수행이 이루어 졌다.

 

#1970~80s #유럽연합 #대한민국 #대형_핵융합_장치

유럽연합에서 JET 건설을 추진했고 대한민국에서 국내 최초의 토카막 장치 SNIT-79를 개발해냈다. 이와 같은 핵융합 발전의 과학적 실증을 위한 대형 핵융합 장치를 건설하고 운영하기 시작했다.

 

#1990s #미국 #유럽연합 #JET_16MW 달성

미국의 TFTR이 10MW의 핵융합 에너지를 달성했다. 또한 유럽연합의 JET는 세계 최고의 핵융합 에너지(16MW)를 달성했다. 아시아에서는 일본의 JT-60U가 에너지 분기점을 초과 달성하는 성과를 거뒀다.

 

#2000s #ITER_공동이행협정 #중국_EAST #대한민국_KSTAR

 2000년대에 들어서는 공학적 실증실험에 착수하였다. ITER(국제 핵융합 실험로) 공동이행협정이 맺어졌고 같은 해에 중국의 EAST 장치가 완공되며 운영되기 시작했다. 또한 다음 해에 대한민국의 KSTAR 장치가 완공되며 운영되었다. KSTAR 운영 시작 1년 후에는 대한민국 최초 플라즈마 발생에 성공하면서 향후 발전가능성을 확인 할 수 있었다.

 

#2010s #ITER건설 #독일 #일본

 ITER이 건설이 시작되었다. 또한 독일의 W7-X가 완공되었고 일본의 JT-60SA 장치가 건설되었다.

 

#2020s #ITER_완공및운영

 ITER이 완공 예정이다.

 

#2030~40s #DEMO건설 #핵융합상용화

 DEMO 핵융합 실증로 건설이 예정이다.

 

4. 국내 핵융합 발전 연구성과

 

 

[자료 3. 세계 주요 핵융합 실험로의 연구성과]

출처 : 국가핵융합연구소 홈페이지

 국내의 국가핵융합연구소(NFRI, National Fusion Research Institute)에 따르면 KSTAR(Korea SuoerConducting Tokamak Adavanced Research)는 2008년 국내 최초 플라즈마 목표 달성 이후로 아래와 같이 꾸준히 유의미한 성과를 내고 있다.

2008	KSTAR 최초 플라즈마 목표 달성 >세계 최초로 단 한 번에 종합 시운전 완료 >본격적인 핵융합 플라즈마 연구추진 기반 마련
2009	당초 실험 목표 플라즈마 전류 320kA 및 유지시간 3.6초 달성 >타 기관 핵융합연구장치 운전 능력 참고치 : 중국 EAST는 최대 전류 15kA 운전, 프랑스 Tore Supra는 1.4kA 운전
2010	초전도 핵융합장치에서의 H-모드(초고온 고성능) 세계 최초 달성
2011	H-모드 ELM(경계면 불안정 현상) 제어 세계 최초 달성 및 A-모드 플라즈마 5.2초 연장, 유지
2012	실시간 플라즈마 형상 제어 및 H-모드 플라즈마 17초 유지 >일본 및 미국은 H-모드(초고온 고성능)에서 약 10초 수준 유지하였으며, 중국의 EAST는 약 6초 유지
2013	ECH 가열장치를 사용한 플라즈마 내부 불순물 제거 실험 성공 및 H-모드(초고온 고성능) 플라즈마의 20초 안정적 유지
2014	KSTAR 10,000샷 달성과 경계면 불안정 현상(ELM) 제어기술 확보 및 H-모드(초고온 고성능) 플라즈마의 48초 안정적 유지 >KSTAR의 10,000번째 플라즈마 실험 달성은 성공적인 핵융합 플라즈마 실험이 수행되고 있음을 의미 >중국의 EAST는 H-모드(초고온 고성능)에서 약 30초 유지
2015	경계면 불안정 현상(ELM) 및 NTM 제어와 세계 최장 H-모드 플라즈마의 55초 안정적 유지 >독일의 W7X는 최초 플라즈마를 달성
2016	차세대 운전 모드로서 내부 수송 장벽 (ITB : Internal Transport Barrier) 운전 모드 초전도 장치로서 최초 구현과 세계 최장 H-모드 플라즈마의 70초 안정적 유지 >기존 해외장치는 저출력의고주파 가열장치를 사용하였으나 KSTAR는 중성입자빔 가열장치를 사용하여 고성능 플라즈마 장시간 운전의 어려움을 극복
2017	플라즈마 경계영역 불안정성(ELM) 최장시간(34초) / 고성능 플라즈마(H-Mode) 최장시간(73초) 유지

[자료 4. KSTAR 연도별 운영성과]

출처 : 자체 제작

 또한 국가핵융합연구소는 앞으로의 핵융합에너지 개발 진흥 기본계획에 근거하여 2040년대 핵융합 상용화 기술 확보를 위한 로드맵에 따라 연구를 수행 중이다. 2007~2041년까지 3단계로 구성되어 있으며, 5년 단위로 세부계획을 수립하고 있다.

 현재는 2단계(3차)(2017~2021) 계획을 진행 중에 있다.

 

 

>> 세계가 주목하고 있는 핵융합 발전소! <<

 

 여기까지 핵융합 발전에 대해 주목하는 이유에서부터 국내외의 연구 현황까지 알아보았다. 아직까지는 완벽히 인공태양을 구현해내지 못하지만 앞서 핵융합 실험로의 발전단계 그래프를 통해 알 수 있듯 핵융합 발전 기술이 가파르게 성장하는 추세이다.

 

 특히 한국은 ITER 참여를 통해 핵융합로 설계기반 기술과 초전도 핵융합장치 운영 원천기술을 확보하였으며 KSTAR 운영으로 초전도 핵융합장치 제작 및 운영 원천기술을 확보하였다. 이러한 한국의 핵융합 발전 기술을 기반으로 빠르게 성장 중이다.

 

 아이언맨 영화에서의 아크 원자로와 외관은 사뭇 다르지만 그 원리와 고효율 청정에너지라는 사실은 같다. 많은 사람들의 관심과 국내 연구진의 노력 속에 2040년 핵융합 발전소의 국내 상용화를 기대해 본다.

 

 

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참고문헌

[1] 국가핵융합연구소, https://www.nfri.re.kr/kor/index [검색일(2020/02/20)]