핵융합 발전은 어디까지 왔는가

높은 연료 효율과 친환경 에너지

2021년 11월, 국내 KSTAR, 최장 시간인30초 동안 핵융합 상태 유지

아직 상용화하는데 유지 시간이 부족

[ 위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 핵융합 에너지는 에너지 부족 문제를 단번에 해결할 수 있는 일종의 태양 에너지이자 꿈의 에너지다. 전 세계에서 주목하고 있는 에너지로 우리나라에서도 초고온 플라즈마 상태를 세계 최초이자 최장 기록인 30초 동안 유지하는 등 핵융합 발전 기술력에서 앞서고 있다.
원자는 양성자와 중성자를 지닌 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 구성되어 있으며 초고온 상태에 있을 시 원자핵과 전자가 분리되는 플라즈마 상태가 된다. 플라즈마 상태가 된 가벼운 원자핵들은 나아가면서 서로 충돌해 합쳐지면서 무거운 원자핵으로 변환되는 것인데 이 과정을 핵융합 반응이라 한다.

핵융합 반응 전 두 원자핵의 무게와 반응 후 무거운 원자핵의 질량을 비교했을 때 질량이 감소한 것을 볼 수 있다. 감소한 질량의 양은 에너지로 전환되는데 질량과 에너지의 관계를 나타내는 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 공식 “E=mc2” 활용해 막대한 에너지 발생을 측정할 수 있다. 만약 질량 4g이 사라진 에너지의 양을 구할 시 발생되는 양은 약 36360 kJ로 한 가구 당 평균 전력 소비량이 5000 kWh일 때 인구 8만 명의 도시의 1년 치 전력이라 볼 수 있다.

태양이 빛을 내는 이유는 핵융합 반응으로 중심부 약 1500만 도에서 수소 원자핵끼리 서로 부딪혀 헬륨 원자핵을 생성한다.
핵융합 발전을 이뤄내기 위해서 태양보다 높은 섭씨 1억 도 이상을 유지해야 한다. 태양은 지구보다 훨씬 강한 중력으로 압축되어 있어 원자들이 1500만 도에서 쉽게 부딪히지만 지구는 그렇지 못하기 때문에 높은 온도가 필요하다. 높은 온도를 유지함과 동시에 초고온 플라즈마를 견딜 장치도 필요하다. 아직까지 섭씨 1억 도를 견디는 물질이 없기 때문에 진공 용기 안에서 자기력을 이용해 초고온 플라즈마를 떠오르게 해서 벽에 닿지 않게 하고 있다.

핵융합 반응의 주 연료는 중수소와 삼중수소로 섭씨 1억 온도에 도달할 시 서로 충돌하게 되며 핵융합 반응이 시작된다. 여기서 생성된 에너지로 물을 끓여 수증기를 만들고 수증기로 발전기에 있는 터빈을 돌려 전기를 생성한다.

핵융합 에너지는 핵분열을 사용하는 원자력 발전과 달리 이중수소와 삼중수소를 사용해 엄청난 양의 에너지를 생성하기 때문에 온실가스, 폐기물, 오염 등이 없다. 그리고 핵융합의 주요 연료 중 하나인 중수소는 바닷물을 전기분해에서 쉽게 얻을 수 있으며 삼중수소는 리튬과 핵융합로에서 반응시켜 생성할 수 있는데 리튬 또한 바닷물에 2300억 톤 이상 매장되어 있기 때문에 핵융합 발전 연료에 대한 고갈 문제는 없다.

현재 핵융합 발전 상황을 보면 영국 원자력청(UKAEA)에서 운영하는 핵융합 연구장치 ‘JET’ (Joint European Torus)는 약 5초간 59MJ의 열 에너지를 생성했다고 2월 10일에 발표했다. 이는 1997년도 때의 결과보다 1초간 더 길었고 에너지 양도 2배 이상이었다. 반면 우리나라는 한국 핵융합에너지연구원 KSTAR연구센터에서 2021년 11월 22일에 30초 동안 1억 도 이상 20초 동안 플라즈마 상태를 유지했다고 발표했다. 중국의 핵융합 장치 EAST는 10초 동안 유지했을 정도로 우리나라 핵융합 기술은 높은 수준이라 볼 수 있다.

다만 이를 상용화 시키려면 1년 내내 발전기를 돌려야 하는데 한국핵융합에너지연구원은 300초 동안 유지하는 것을 2025년 목표로 두는 것만큼 기술 개발이 어렵다.