[위즈덤 TECH] 미래의 희망, 핵융합 에너지는 어떻게 만들어질까?

“핵융합”이란 두 개의 원자를 하나의 원자로 결합시키는 것

수소들이 충돌하여 헬륨이 되도록 하는 토카막 방식

[위즈덤 아고라 / 강주영기자] 현재 친환경 에너지로 핵융합 에너지가 각광받고 있다. 우리나라 정부는 지난달 ‘핵융합 전력생산 실증로 기본 개념’을 확정하고 단계적 설계와 로드맵 마련 등 본격적인 핵융합에너지 실증 준비에 들어간다고 밝혔다. 이에 우리나라 핵융합을 선도하고 있는 한국핵융합에너지연구원(KFE)도 지난 14일, ‘인공태양으로 세상을 밝히는 KFE’를 선포했다. 

핵융합은 기본적으로 수소를 에너지원으로 하여 굉장히 높은 열을 내는 것인데, 대한민국은 2030 기술혁신 중 하나로 수소를 거론하기도 하였다. 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 ‘인공태양’이라 불리는 핵융합 장치를 통해 구현되며, 바닷물의 중수소와 리튬을 연료로 사용해 거의 무한한 에너지라고 할 수 있다. 게다가 효율이 높으며 탄소를 배출하지 않아 꿈의 에너지라고 불린다. 

“핵융합”이란 두 개의 원자를 하나의 원자로 결합시키는 것인데 많은 사람들이 익히 들어보았을 “핵분열”의 반대의 개념이라고 볼 수 있다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론 공식(E=mc^2)은 질량과 에너지의 관계를 기술한다. 이에 따라 핵분열을 할 때는 무거운 원자를 2개의 원자로 쪼개면서 줄어든 질량만큼 방출되는 에너지를 얻어내는 것이다. 핵융합은 이와 반대되는 개념이지만 2개의 원자를 하나의 원자로 합쳐 무게를 줄인다. 핵융합은 특히 질량이 핵분열보다 더 큰 폭으로 줄어드는데 이는 곧 더 많은 에너지가 나오게 된다는 뜻이다.

핵융합에 사용 가능한 원료는 몇몇 종류의 수소나 헬륨인데 보통 핵융합을 할 때에는 수소, 그중에서도 양성자 하나에 중성자 하나가 결합된 중수소와 양성자 하나에 중성자 두 개가 결합된 삼중수소를 이용하여 헬륨을 만들어 낸다. 

그렇다면 왜 그동안 핵융합을 안 썼는지 의문이 있을 수 있다. 이에 대한 대답은 핵융합이 어렵기 때문이다. 원자는 기본적으로 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있는데 양성자는 (+) 전하를 전자는 (-) 전하를 띄게 된다. 그런데 이때 양성자와 전자는 자석과 같이 같은 전하는 서로 밀고 다른 전하를 끌어당기는 성질이 있어 수소가 헬륨이 되려면 서로 밀고 있는 양성자들끼리의 척력을 이겨내는 매우 강력한 힘으로 붙여놓아야 하기 때문이다. 이때 척력이란 서로 밀어내는 힘을 의미하고, 반대로 서로 당기는 힘은 인력이라고 부른다

현재 가장 잘 사용되는 핵융합 방식은 진공으로 된 공간에 원료들을 넣고 입자 가속기와 자기장으로 수소들을 빠른 속도로 가속시켜 수소들이 충돌하여 헬륨이 되도록 하는 토카막 방식이다. 조금 더 자세히 말하자면, 수소를 충분히 가속시켜 수천 도의 온도를 가지게 되면 전자와 원자핵이 분리되어 있는 플라스마 생태로 들어가 아무런 장애물 없이 양성자들은 그 어마무시한 속도로 서로에게 충돌하게 되면서 핵융합이 발생하는 것이다.

하지만 이때에 연구원들은 몇 가지 자기장들을 추가로 걸게 된다. 너무 무질서하게 플라스마가 돌아다니게 되면 수천 도의 온도로 토카막의 내벽이 손상될 위험이 있다. 범퍼카가 너무 막무가내로 움직인 나머지 울타리를 부수어 버렸다고 생각하면 이해하기 편할 것이다. 반대의 경우, 만약에 벽 부분을 지키는 자기장만을 걸어두게 된다면, 어떻게 될까? 초반에는 불특정 한 위치에 있던 수소들은 핵융합을 하게 되지만 시간이 지날수록 핵융합이 발생하지 않는다. 범퍼카를 예로 들자면 초반에는 자신의 위치, 방향이 정해지지 않아 많이 부딪치지만 시간이 지날수록 사람들이 점점 일렬로 트랙을 돌고 있는 것과 마찬가지이다. 이에 많은 연구원들은 고민 끝에 다름과 같은 모양의 토카막을 디자인하였다. 다음과 같은 디자인으로 더 성공적으로 수소들을 충돌시켜 핵융합 에너지를 더 많이 얻어낼 수 있게 된 것이다.

대한민국은 한국의 인공태양이라 불리는 “kstar”로 핵융합 발전에 많은 기술을 가지고 있다. 대한민국 기술진들은 현재까지 1억 도를 30초 동안 발전시키는 데 성공하였고 2026년까지 1억 도를 300초 동안 유지시킬 수 있게 하는 목표를 세웠다. 또한 2050년대 핵융합 전력생산 실증 목표를 세우고 2035년 이후 ITER 목표인 ‘에너지 증폭률 10배’ 달성 여부 확인한다는 로드맵을 짰다. 이에 따라 8대 핵심기술 확보, 핵심 부품의 국내 조달, 핵융합 발전의 경제성 확보 가능성 등을 고려, 우리나라에서 실증로 건설 추진 여부를 결정할 방침이다.

[위즈덤 TECH] 인간은 옛날부터 새로운 에너지를 얻기 위해 노력해 왔고 현재는 주로 화석연료를 사용하고 있습니다. 하지만 환경 보호가 중요해진 지금 언제까지나 유한한 화석연료에 의존할 수는 없습니다. 현재 각광받고 있는 차세대 에너지 중 하나인 핵융합 기술을 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 강주영 기자의 ‘위즈덤 TECH’로 핵융합의 세계를 만나 보세요.