인공태양에 대해서

[객원 에디터 3기 / 문시연 기자] 인공태양이란 태양이 빛을 내는 원리를 바탕으로 에너지를 내는 장치이다. 인공태양은 핵융합으로 작동한다. 핵융합은 가벼운 원자핵들이 결합해서 더 무거운 원자핵이 되는 과정에서 질량 결손이 일어나 에너지가 발생하는 원리다. 이런 원리는 태양이 에너지를 만드는 원리와 같다. 이 에너지로 물을 끓여서 발생한 수증기로 터번을 돌려 전기를 생산하는 것이 핵융합 발전이다. 

핵융합에너지를 만들기 위해서는 초고온 플라즈마를 먼저 만들어야 한다. 플라즈마는 제4의 물질 상태라고 알려져 있다. 기체 상태를 뛰어넘어 전자 등 입자들로 나누어진 상태가 플라즈마다. KFE 한국핵융합에너지연구원에 따르면 핵융합에너지를 얻기 위해서는 플라즈마를 가두는 역할을 하는 핵융합 장치와 연료인 중수소, 삼중수소가 필요하다. 중수소는 바닷물을 전기 분해해서 얻고 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬과 중성자를 반응시켜서 얻는다. 플라즈마 상태에서 수소 원자핵들이 융합해서 핵융합에너지를 만들게 된다. 

인공 태양은 섭씨 1억 도다. 실제 태양의 표면이 6,000도이니 인공 태양이 실제 태양보다 훨씬 뜨겁다는 것을 알 수 있다. 인공태양이 실제 태양보다 뜨거운 이유는 지구에서 태양이 하는 것과 같은 방식으로 핵융합 반응으로 에너지를 발생시키려면 태양에서보다 더 높은 온도가 필요하기 때문이다. 태양에서보다 더 높은 온도가 필요한 이유는 태양의 중심부와 같은 높은 압력이 없기 때문이다. 태양의 중심부에서는 높은 압력 때문에 핵융합이 빨리 일어난다. 

인공태양의 장점은 연료 효율이 굉장히 뛰어나다는 것이다. 국제핵융합실험로에 따르면 핵융합 연료 1g은 석유 연료 8톤에 해당하는 에너지를 만들어낼 수 있다. 인공태양은 원자력 발전 방식보다 효율이 더 뛰어나다. 왜냐하면 원자력 발전 시에 핵분열을 통해 만들어지는 질량 결손은 0.11%인데 인공태양에서 일어나는 질량 결손은 0.71%로, 질량 결손 비율이 높을수록 더 많은 에너지가 만들어진다. 따라서 원자력 발전보다 인공태양을 사용했을 때 에너지 효율이 높다는 것을 알 수 있다.

인공태양의 또 다른 장점은 안전하다는 것이다. 한 번의 사고가 엄청난 인명피해를 일으키는 원자력 발전소와 다르게 인공태양은 연료를 조금씩 투입해서 넣는 방식으로 에너지를 만든다. 즉, 엄청난 연쇄작용을 일으킬만한 에너지가 존재하지 않으므로 비교적 안전하다고 볼 수 있다.

우리나라도 핵융합연구를 진행 중인데, 2021년 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합 핵심 조건인 1억 도 초고온 플라즈마 운전을 30초간 유지하는 데 성공했다. 이어 2022년 상반기 실험에서 1억 도 초고온 플라즈마 50초 연속 운전에 도전한다. KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 1995년부터 2007년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합연구장치로 2008년 최초 플라즈마 발생에 성공한 이후, 상용화를 위해 연구를 이어가고 있다. 앞으로 오랜 시간 1억 도 초고온 플라즈마를 KSTAR 장치가 견딜 수 있도록, 내부 대면 재료를 교체하는 업그레이드를 진행해서 2026년 300초 달성을 목표로 하고 있다.

울산과학기술원의 물리학과 박현거 교수에 따르면 인공태양은 배출하는 탄소만큼의 양을 탄소로 흡수해 순 배출양을 0으로 만드는 탄소 중립을 실현할 장치로 주목받고 있다고 한다. 이유는 인공태양으로 에너지를 만들면 태양이 만드는 에너지처럼 친환경 에너지를 만들 수 있기 때문이다. 또 만약 핵융합 발전이 상용화되면 대부분의 에너지를 만드는데 인공태양을 사용할 것이라는 의견도 과학자들 사이에서 나오고 있다. 과학자들은 앞으로 인공태양에서 플라즈마를 어떻게 잘 가둘지 등의 문제만 보완하면 인공태양은 핵심적인 에너지원이 되리라 전망한다.