< 일러스트 OpenAI ChatGPT 제공 >
[객원 에디터 12기 / 윤석준 기자] 인간에게 가장 중요한 에너지원은 무엇일까?
바로 태양이다. 태양광 발전에 더해, 너무 추우면 살아갈 수 없듯이 지구를 위해 매우 중요한 에너지는 태양에서 온다.
태양 이외에 우리는 전기와 같은 다른 형태의 에너지를 생산하기 위하여 기름과 같은 여러 화석 연료를 사용한다. 이 과정에서 대기오염과 같은 많은 문제가 발생하기 때문에 새로운 에너지원을 찾기 위하여 노력한다. 그렇다면 이런 질문을 할 수 있을 것이다. 우리에게 가장 중요한 에너지원이 태양이라면, 태양을 지구에서 따라 만들 수 있는 방법은 없을까?
공상과학 소설이나 영화 속에서만 있을 법한 인공태양은 바로 한국에도 있다.
대한민국의 인공태양은 KSTAR라고 불리며, 이는 미래의 핵융합 발전에 필요한 기술을 연구하고 실험하기 위한 연구 장치이다. 인공태양의 원리는 태양이 에너지를 만드는 방법인 핵융합을 이용한 것이다. 핵융합은 두 가지의 가벼운 원자핵이 합쳐지면서 많은 양의 에너지가 발생하는 현상이다. 여기서 원자핵은 모든 물체를 이루는 아주 작은 원자의 중심 부분을 일컫는다.
핵융합 과정 자체가 바로 전기를 생산하는 것은 아니다. 핵융합 과정에서 발생한 열에너지로 물을 끓여 만든 증기를 이용해 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산하는 것이다. 이는 기존의 화석 연료를 이용하는 방식이나 원자력 발전에서 사용하는 발전 방식과 동일하며, 가장 큰 차이는 열에너지를 만드는 방식에 있다. 기존 원자력 발전은 하나의 무거운 원자핵이 두 개의 가벼운 원자핵으로 분리되는 핵분열을 이용하지만, 인공태양은 가벼운 원자핵을 합치는 핵융합을 이용하는 것이다.
하지만 우리에게는 다른 에너지원도 존재한다. 예를 들면 태양광 발전, 풍력 발전, 그리고 원자력 발전이다. 환경오염이 적은 다른 대안이 있는데 왜 인공태양을 만들려고 하는 것일까? 바로 다른 에너지원들은 각각 서로 다른 단점이 있기 때문이다. 태양광과 풍력 발전의 경우 날씨에 매우 의존하기 때문에 에너지 발전량이 일정하지 않지만, 변동성을 줄이기 위해 발전량 예측 등의 방법을 연구 중이다. 원자력 발전은 방사성 폐기물이 발생하며, 이를 처리하고 관리하는 데 아주 큰 어려움이 있다. 다만 폐기물 처리에 대한 연구가 진행되고 있고, 많은 에너지를 안정적으로 생산할 수 있다는 장점이 있다.
핵융합도 완벽한 에너지원은 아니다. 하지만 낮은 탄소 배출과 비교적 적은 단점 때문에 미래의 에너지원 후보로 주목받고 있다. 이러한 가능성 때문에 막대한 비용을 투자하여 한국을 포함한 전 세계의 여러 국가가 인공태양의 개발을 진행하고 있다.
앞서 설명한 이유들만 종합하면 기술도 존재하고 장점도 많은데, 왜 아직까지 상용화되지 못했는지, 또한 왜 인공태양이라는 것이 아직 생소한 에너지원인지 물어볼 수 있다. 그것은 바로 기술적인 어려움에 있다. 태양에서는 엄청난 중력이 원자핵을 강하게 압축해 핵융합이 일어날 수 있는 환경을 만든다. 대신 지구에서는 약 1억 도 이상의 초고온 플라스마를 만들어 핵융합이 일어날 조건을 만든다. KSTAR의 가장 중요한 연구 중 하나도 이 온도에서 플라스마를 어떻게 안정적으로 오랫동안 유지하는 것인지에 관한 것이다. 한국핵융합에너지연구원(KFE)에 따르면, KSTAR의 경우 2024년에 플라스마를 약 1억 도에서 48초 동안 유지한 것이 최장 시간 기록이며, 장기적인 목표는 이를 300초(약 5분) 이상 유지하는 것이다.
유지 시간을 단지 늘리는 것만으로 발전소의 완성을 설명할 수 있는 것은 아니다. 플라스마는 매우 불안정한 상태이다. 그러므로 플라스마를 안정적으로 유지하는 것 자체가 하나의 큰 어려움이다. 또한 인공태양을 만드는 것과 인공태양을 이용해서 전기를 만드는 것은 차이가 있다. 인공태양에서 발생한 에너지를 열로 회수하고, 이를 다시 우리가 흔히 사용하는 전기로 변환하는 과정이 필요하다. 또한 발전소 설비도 이 초고온을 견딜 수 있어야 한다. KSTAR도 전기를 만드는 것이 아니라 단지 핵융합 기술을 연구하는 인공태양이다. 현재로서는 기술 개발이 더 필요하다.
이 기술을 더 효과적으로 개발하기 위하여 한국을 포함한 여러 국가가 협력하여 ITER이라는 국제 인공태양 연구 장치를 만들고 연구하기 위해 노력하고 있다. 2026년 10월 현재, ITER 개발진에 의하면 첫 연구 운전 목표는 2034년이다. 하지만 이 날짜는 기술적 문제와 코로나19 등의 영향으로 기존 일정이 여러 차례 조정된 바 있다.
그렇다면 인공태양이 정말 미래의 새로운 에너지원이 될 수 있을까? 현재로서는 큰 가능성과 장점이 많은 미래 에너지원 후보이다. 하지만 아직 인공태양을 연구하는 단계를 넘어 이를 이용하여 전기를 생산하기 위해서는 넘어야 할 기술적인 과제가 많이 남아 있다. KSTAR와 ITER 등 인공태양 연구 장치를 이용한 연구가 계속 진행되는 만큼, 앞으로 이러한 기술이 실제 에너지원으로 발전할 수 있을지 지켜볼 필요가 있다.
