미·중·일이 못한 K 인공태양 기술...우리가 해냈다

대덕에 위치한 한국핵융합에너지연구원 전경./사진제공=핵융합연구원

한국핵융합에너지연구원(원장 유석재)이 지난 22일 플라즈마 이온온도 1억℃(도씨)를 30초 동안 유지하는 신기원을 열었다. 20초의 기록을 깬지 1년만에 1억도 유지시간을 50% 늘린 쾌거다.

이를 100초까지 늘리면 핵융합 발전 상용화의 기초가 완성되는데 안정성을 기하기 위해 300초(5분)까지 늘릴 것이라는 게 연구원의 계획이다. 연구원은 매년 발표했던 300초 유지 달성시기를 2025년보다는 한해 늦춰 2026년까지 완성하겠다고 이날 밝혔다.

핵융합 발전 기술이 2040~2050년경 상용화되면 대한민국이나 인류는 에너지 문제에서 벗어날 수 있는 길이 열리게 된다.

현재 사용연한이 70년 정도로 추산(영국 BP 발표)되는 우라늄 매장량과 달리 바닷물 속에는 석유보다 5000배 이상 많은 핵융합 원료인 중수소와 삼중수소 생산에 필요한 대규모 리튬이 존재한다. 이를 이용해 1억℃ 이상의 플라즈마 이온으로 만들어 핵융합을 하는 것이 목표다.

인간이 상상하기 힘든 온도인 1억℃의 인공태양을 어떻게 만들고, 이를 어떤 방법으로 유지하면서 핵융합 에너지로 전환하는 것일까. 또 이 기술이 우리 인류의 미래에 어떤 변화를 가져올까를 살펴봤다.

미소 핵무기 감축의 산물...수소 핵융합 원자력 발전

1985년 11월 20일 로널드 레이건 당시 미국 대통령(오른쪽)이 미하일 고르바초프 당시 소련 공산당 서기장(왼쪽)과 제네바에서 만나 대화를 나누고 있다. 미소 양국은 2년 후인 1987년 핵무기 감축에 합의한다. (C) AFP=뉴스1

국제적 핵융합 공동 프로젝트는 1985년이 시발점이다. 미소 냉전이 해빙기를 맞던 1985년 고르바쵸프 당시 소련 서기장이 레이건 미국 대통령에게 인류의 안전한 핵 사용을 위한 기술개발을 제안했다.

핵무기 감축과 함께 안전한 핵융합 기술을 공동개발하자고 제안하면서 국제열핵융합실험로(ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor) 프로젝트가 시작됐다.

우리나라는 핵융합에너지연구원이 대덕 단지에서 진행하고 있는 초전도핵융합로(KSTAR)를 1995년에 건설하기 시작해 2008년 첫 가동에 들어갔다. 1억℃ 이온온도를 1.5초 유지하는데 성공한 것이 이로부터 10년 후인 2018년 12월 24일 크리스마스 이브 때다. 이 세상을 바꾼 반도체의 효시 트랜지스터가 처음으로 미국 AT&T 벨연구소에서 발명된 1947년 12월 23일로부터 71년이 지난 시점에 세상을 바꿀 새로운 에너지의 문이 열린 것이다.

핵융합에너지연구원은 뒤이어 2019년에 진행한 실험(연구원 내에선 캠페인이라고 부름, 2020년 2월)에서 직전해보다 5배 늘린 8초를 달성했고, 2020년 10월에 20초, 2021년 11월에 30초를 달성했다. 플라즈마 이온 온도를 1억℃ 이상 유지하는 시간의 개선속도가 빨라지고 있어 목표인 300초 유지시간 달성도 더 빨라질 수 있을 것이라는 기대가 높아지고 있다.

인공태양은 왜 1억도가 돼야 하나

대덕 한국핵융합에너지연구소에 설치된 초전도핵융합로 KSTAR 전경. 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)는 직경(D) 9.4m, 높이(H) 9.6m, 무게(W) 1000톤이다. 세계 최초로 Nb₃Sn(나이오븀틴) 초전도 자석 으로 제작해 최종 목표는 트로이달 자기장세기3.5테슬라, 플라즈마 지속시간 300초, 플라즈마 전류2.0MA, 플라즈마 온도 3억도다. 지난 22일 이 융합로에서 플라즈마 이온 온도 1억도를 30초 동안 유지하는 세계 최초의 실험이 성공했다./사진제공=핵융합연구소

핵융합 프로젝트는 태양에서 수소(중수소, 삼중수소)가 헬륨으로 변환되는 과정에서 일어나는 에너지 생산 과정을 지구에서 실현하는 것이 목표다. 천재 물리학자 알버트 아인슈타인의 '질량-에너지 등가 법칙'으로 잘 알려진 'E=mc^2(제곱)'이 이런 핵력(핵분열과 핵융합)을 이용한 발전의 핵심 원리다.

수소 원자 4개(원자량 합 4.03)가 헬륨 원자 1개(원자량 4)로 바뀔 때 줄어드는 질량(m, 약 0.72%)이 에너지로 바뀐다. 에너지가 질량, 질량이 에너지와 같다는 의미다. 일상 생활에서 운동을 하면(에너지를 쓰면) 체중(질량)이 줄어드는 것과 비슷한 구조라고 이해하면 쉽다.

핵융합에서 나오는 태양 에너지는 1초당 수소폭탄 약 2000억 개를 터트린 위력으로 지구를 향해 달려오고 있다.(태양에너지 방출량 : 초당 3.84 x 10^26J-26승 줄)

문제는 이런 핵융합 에너지를 만들기 위한 환경이 지구와 태양이 다르다는 점이다. 태양은 중심 온도 1500만도에 수천억 기압의 초고압 상태다. 여기서는 수소 원자가 원자핵과 전자로 분리되는 '플라즈마' 상태로 유지된다.

4개의 수소가 뭉쳐 하나의 헬륨과 중성자로 바뀌는 과정에서 줄어든 질량만큼의 에너지가 방출되는게 태양의 발전 원리다.

지구의 대기압은 태양보다 턱없이 낮기 때문에 핵융합이 일어나게 하기 위해서는 온도를 태양보다 더 높여 플라즈마 상태를 만들어야 한다. 플라즈마 상태로 만들어야 핵융합이 쉽게 일어나기 때문이다. 압력이 낮은 만큼 온도를 높여 이 상태를 만들어야 하는데, 필요한 온도는 태양 중심 온도의 7배 정도인 1억℃다.

태양보다 7배 뜨거운 1억℃를 어떻게 만드나

2018년 크리스마스 이브인 12월 24일 세계 최초로 플라즈마 이온온도 1억도를 1.5초 유지하는 데 성공했다. 사진은 KSTAR 내부 플라즈마 모습./사진제공=한국핵융합에너지연구원

우리의 일상에서 1억℃라는 온도는 상상조차 불가능한 온도다. 하지만 원자 단위에서는 1억℃를 만드는 것이 불가능한 것이 아니다.

온도의 정의를 보면 원자나 분자의 열운동량으로 정의하는데 원자나 분자를 빠르게 운동하도록 하면 온도는 올라간다. 정확한 비유는 아니지만 우리가 운동을 하면 체온이 올라가고, 손바닥을 서로 비벼 마찰운동을 하면 온도가 올라가며 열이 발생하는 것과 같다고 이해하면 쉽다.

온도가 낮은 얼음 내 물(H2O) 분자는 운동이 둔하지만, 액체인 물은 이보다 분자 운동이 더 활발하고, 뜨거운 기체인 수증기 속 물 분자는 더욱 빠르게 움직인다. 물 분자의 운동이 활발한 상태(얼음<물<수증기)일수록 온도가 올라간다.

핵융합에 이용되는 플라즈마 이온의 온도도 마찬가지다.

전자파로 입자에 에너지를 전달하거나 입자를 충돌시키면 입자의 운동속도가 빨라져 온도가 올라간다. 전자파를 이용하는 것은 전자레인지에서 음식을 데우는 것과 같은 원리다. 음식 내 물분자를 공명시켜 열을 올리는 것처럼 전자기파로 플라즈마 내 공명을 일으켜 열을 올린다.

또 중성입자빔을 플라즈마 입자에 충돌시켜 열을 올리는 방법도 이용한다. 우리의 초전도핵융합로 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)가 1억℃로 플라즈마 이온 온도를 높이는 방법도 이 두가지 방법에 더해 플라즈마 내 자체 저항에 의한 온도 상승의 원리까지를 활용해 1억℃까지 올린다.

KSTAR에는 2MW의 전자기파 가열장치와 6MW의 중성입자빔 가열장치가 설치돼 있으며, 총 28MW의 가열 성능을 갖췄다. 유럽입자물리학연구소(CERN)가 만든 대형 강입자충돌기(LHC)로는 7경℃(1경은 1조의 1만배)까지 입자의 온도를 올릴 수 있다고 한다.

1억℃ 온도가 융합로를 태우지 않는 이유

KSTAR 내부 탄소타일로 붙은 디버터 대면제./사진제공=한국핵융합에너지연구원

문제는 1억℃의 뜨거운 입자가 물체에 닿으면 그 물체를 모두 태워버리기 때문에 이를 태우지 않고 어떻게 다룰 것이냐다.

지구상에 존재하는 물체 중에 녹는 점이 가장 높은 것은 탄소(3642℃)인데 초기 KSTAR의 토카막(원자로) 내부의 디버터(diverter) 대면재는 탄소타일을 사용했다. 하지만 탄소는 플라즈마 입자의 충격에 약해 최근에는 두번째로 녹는 점이 높은 텅스텐(3422℃)으로 디버터를 교체작업을 진행하고 있다.

녹는 점이 3422℃인 텅스텐도 1억℃에는 견딜 수 없어 녹을텐데 이를 어떻게 극복했을까. 그 방법은 융합로의 내벽과 플라즈마가 접촉을 하지 못하도록 플라즈마를 공중에 띄우는 방법을 쓴다.

연구자들은 플라즈마가 플러스(+, 원자핵)와 마이너스(-, 전자)의 전기적 성질을 띠고 있다는 점을 감안해 자석에서 나오는 자기장 속에 가둬 공중 부양을 시켜 내벽과의 접촉을 막아 온도 전달을 줄였다. 진공상태의 핵융합로의 공중에 플라즈마를 띄워놓으면 실제 접촉하는 것보다는 훨씬 온도의 영향을 줄일 수 있다.

그리고 융합로 내에 열을 가지는 입자의 수를 일반 대기보다 10만분의 1 정도로 줄여 융합로가 직접 영향 받는 온도를 낮췄다. 열을 전달하는 열입자의 밀도를 낮춘다(입자의 숫자를 줄인다)는 얘기다.

목욕탕 물속에서 40℃는 엄청나게 뜨겁게 느끼지만, 이보다 훨씬 높은 100℃의 사우나에서는 사람이 견딜 수 있는 것과 비슷한 원리다.

열을 전달하는 입자가 물에서는 촘촘하게 연결돼 밀도가 높아 뜨겁게 느끼지만 사우나에서는 수증기에 열입자의 수가 물보다 적어 밀도가 낮아 상대적으로 덜 뜨겁게 느끼는 것과 같은 이치다.

핵융합로 토카막 내부를 대기압의 10억분의 1 정도의 진공상태로 만들고, 일반 대기보다 10만분의 1정도의 적은 규모로 입자를 가두고 이 플라즈마 이온의 온도를 1억℃까지 올린다.

이렇게 되면 플라즈마 이온 자체의 온도는 1억℃이지만 열 차폐막 등이 설치된 토카막 내부의 온도는 10만분의 1정도로 낮은 1000℃ 정도로 낮아지는데, 텅스텐은 이 1000℃ 정도에는 충분히 견딘다. 그래서 1억℃의 플라즈마 이온 온도에서 핵융합로가 녹아내리지 않는 것이다.

1억℃의 플라즈마 이온을 가두는 방법

2018년 1.5초, 2019년 8초, 2020년 20초, 2021년 30초의 플라즈마 이온온도 1억도 유지 실험 데이터. 그래프의 빨간 부분과 파란 부분이 2021년 데이터다./사진제공=

전기가 흐르는 전선 주변에는 자기장이 생기고, 자석을 코일 속으로 넣어다뺐다 하면 전기가 만들어지는 게 전자기학의 기본 원리다.

토카막 내에 초전도 자석에 강한 전류를 흘리면 강한 자기장이 생겨 이 자기장이 전기적 성질을 띠는 플라즈마 이온을 가두는 게 토카막 핵융합로 방식이다.

문제는 일반 자석에 강한 전류를 흘리면 저항으로 인해 강한 열이 발생한다. 이런 열 발생을 줄이기 위해서는 저항이 없는 초전도 자석에 전류를 흘리면 된다. 이런 초전도 자석에 플라즈마를 가둬 컨트롤하는 방식이 한국 KSTAR의 토카막 핵융합 방식이다.

저항이 없는 초전도 자석을 만들기 위해서는 자석의 온도를 절대온도 0도(0K, -273.15 °C) 근처까지 내려야 하는데, KSTAR는 끓는 점이 가장 낮은 액체헬륨(끓는 점 -268℃)으로 초전도 자석 주변을 감싸 초전도 특성을 만들어 활용한다.

1억℃의 플라즈마 이온을 담는 용기(핵융합로)가 절대온도 0도에 가까운 영하 269℃의 액체헬륨을 품은 초전도 자석에 의해 만들어지는 것이다. 초전도핵융합로를 '가장 뜨거운 물질을 담는 가장 차가운 그릇'이라고 부르는 이유다. 가로방향으로 누운 도넛 모양의 초전도 자석(Toroidal Field, TF)과 세로 방향으로 초전도 자석(Central Solenoid, CS)이 플라즈마를 컨트롤하며 공중에 부양시켜 놓는 것이다.

핵융합 발전소를 가동하려면 이런 상태로 100초 운전이 최소 기준이다. 연구진은 2026년까지 3배 여유도를 둔 300초 운전을 달성하겠다는 목표다.

국제열핵융합로 건설에 주도적 역할하는 대한민국

2020년 5월 27일 ITER 건설현장 항공 사진. 핵융합로 가동을 위한 주요 건물들이 완성돼 가고 있다. 2025년 완공을 목표로 진행 중이다./사진제공=ITER

우리나라의 초전도핵융합로 기술은 세계 최고 수준이다. 이같은 기술력을 바탕으로 뒤늦게 국제열핵융합로 프로젝트에 참여했지만, 대한민국은 ITER에서 주도적 역할을 하고 있다.

1988년 4월 미국, 러시아, EU, 일본 등이 시작한 이 프로젝트에 우리나라는 2003년 6월 합류했다. 17조원을 들여 프랑스 카다라쉬 지역에 '인류 에너지 문제해결의 길'이라는 의미를 담은 ITER 건설이 한창이다.

2025년 완성을 목표로 한 ITER는 열출력 500MW, 에너지 증폭율(Q) 10 이상인 국제핵융합실험로(ITER)의 국제공동건설·운영을 통해 핵융합에너지의 실용화를 위한 최종 공학적 실증을 목표로 하고 있다. 2040년까지 실증을 통해 상용화 가능성을 점검하는 프로젝트다.

여기에는 한국에서 주도하고 있는 초전도 기술 등이 적용돼 건설이 진행되고 있다. ITER는 한국에서 TF 초전도 선재와 진공용기 본체, 진공용기 포트, 블랑켓 차폐블록, 조립장비, 열차폐체, 삼중수소 저장 공급시스템, 전원공급장치, 진단장치 등 9개 주요 장치를 조달했다.

국내 참여업체는 1, 2차 협력업체까지 합쳐 220여곳으로 2007년부터 지난해 6월까지 6180억원 규모를 수주했다.

현대중공업이 5000톤짜리 진공용기 6번 섹터를, 영하 269도의 극저온을 유지하도록 열을 막는 열차폐체는 SFA가, 열차폐체 몸통은 삼홍기계가, 액체 헬륨 공급 파이프는 TMC가 개발해 납품했다. 1억 도의 플라즈마 이온을 가두는 자기장을 만드는 초전도 선재는 KAT가, ITER 조립장비는 SFA와 유진엠에스, 일진기계가 블랑켓 차폐블록은 이엠코리아가 맡았다.

핵발전의 패러다임 변화...핵분열에서 핵융합으로

ITER 내부 구조도/사진제공=ITER

최근 논란이 되고 있는 탄소중립을 위한 에너지전환에서 다시 핵분열 원자력 발전의 필요성이 대두되고 있다. 신재생 에너지를 이용한 탄소중립으로의 전환 한계 문제가 불거지면서다. 신재생에너지로는 그린수소(탄소배출이 전혀 없는 수소생산) 생산에 한계가 있어 원자력 발전을 이용한 그린수소 생산이 필요하다는 지적도 나온다.

우라늄을 이용한 핵분열 원자력 발전은 우라늄 매장량(약 70년)의 한계와 후쿠시마 원전 등의 폭발사고로 인한 방사능 위험성 등이 여전히 상존하는 상황에서 영구히 이어갈 수 있는 발전 방식은 아니라는 인식이 커지고 있다. 36년전 미소 냉전을 풀기 위한 안전한 핵의 사용이라는 레이건과 고르바초프가 ITER 출발 때 가진 인식과 큰 차이가 없다.

핵 기술의 패러다임을 전환해 우라늄 핵분열 원자력 발전에서 수소 핵융합 원자력 발전으로 진화시키는 것이 필요해 보인다. 그 일환으로 2040~2050년까지 현행 핵분열 원자력 발전을 유지하면서 그 이후 핵융합 원자력 발전으로의 진화에 대한 고민이 필요하다. 2050년 탄소중립으로 가는 길의 화룡점정이 '수소 핵융합 발전'이라는 소리에 귀를 기울일 때다.