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지구에서 태양을 재현한다 ‘핵융합 에너지’

[2022-09-23, 20:56:47] 상하이저널

태양은 우리 태양계의 중심이 되는 거대한 별이며, 지구에서 사용하는 거의 모든 에너지원의 원천이다. 태양의 에너지가 광합성을 통해 식물이나 플랑크톤에게 축적되면 그 에너지가 음식이나 화석 연료 등의 형태로 사용되는 것이다. 또 물과 대기가 순환하며 발생하는 해류와 바람 같은 지구의 자연 현상 역시 태양의 힘에서 비롯되기 때문에 땅속의 열을 사용하는 지열 발전을 제외하면 사람이 사용하는 모든 에너지원의 근원이 태양이라고 할 수 있다. 이러한 태양을 지구에서 인공적으로 재현할 수 있다면 어떨까? 지구에서 태양을 창조하는 것은 비효율적이고, 불가능에 가깝다. 하지만 태양 에너지의 원리를 본떠 만들어진 에너지원이 있다. 바로 핵융합 에너지이다.

핵융합이란?

질량을 가진 입자는 자신의 형태를 유지하기 위해서 많은 양의 에너지를 머금고 있다. 이 에너지를 발현시켜서 이용하는 것이 바로 핵에너지를 이용하는 방법이다. 이 방법은 총 두 가지인데, 하나는 입자를 작게 쪼개는 핵분열, 나머지 하나는 입자를 크게 합치는 핵융합이다. 핵융합 에너지는 서로 다른 핵이 한데 뭉치며 발생한다. 핵이 합쳐지며 자신의 형태를 유지하기 위해 필요한 에너지가 줄어들게 되는데, 그때 남은 양의 에너지가 방출된다. 이 방식으로 스스로 에너지를 방출하고 빛을 뿜는 천체가 바로 별이며, 우리의 태양이다. 핵융합을 위해선 높은 압력과 온도가 필요한데, 태양은 중력 덕분에 이 조건을 자연스럽게 충족하기 때문에 그 속에서 수소 원자들이 서로 충돌하며 핵융합이 지속해서 발생할 수 있다.

원자력 발전에 사용하는 방법은 핵분열이다. 핵이 분열할 때 알파 입자를 뱉어내는데, 이에 따라 생성된 에너지가 방사성 폐기물이다. 핵융합은 핵분열과 달리 수명이 긴 방사성 폐기물을 배출하지 않아 방사능 오염이 누출될 가능성이 거의 없다.

태양의 핵융합 에너지를 지구에서 안전하게 이용하는 방법

▲NIF(국립 점화 시설)에서 제시한 방법

손톱만 한 금속 원통 안에 중수소(질량수가 2인 수소로, 질량수가 1인 보통 수소보다 무겁다)와 삼중수소(질량수가 3인 수소)를 넣고 레이저를 쏘면 원통이 이 에너지를 흡수해 내부에 강력한 X선이 원통 중심으로 방사된다. 이때, 수소의 핵이 X선으로 인해 빠르게 가속하여 핵융합이 일어나는 것이다. 하지만 이 방법은 아직 핵융합을 실현할 만큼의 에너지를 생산하지 못하여 후속 연구가 필요하다고 한다.

▲자기화 선형 관성 핵융합 프로젝트

냉각 상태로 원통에 채워진 핵융합 원로를 레이저를 이용해 폭발시킨 후, 뜨거워진 연료가 원통에서 빠져나오기 전에 축전기를 이용해 전기 방전을 일으켜 막대한 자기장을 방출시킨다. 이 자기장은 원통에 압력을 가해 내부의 수소들이 융합하게 한다. 이 프로젝트는 성공 가능성이 높지만, 에너지 효율성은 낮다고 한다.

▲ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)

ITER은 토카막이라는 장치를 이용하는 핵융합 원자로이다. 토카막은 핵융합에 필요한 중수소와 삼중 수소의 고온 플라스마를 발생하게 하는 도넛 모양의 장치이다. 이 도넛 모양 장치의 속은 진공 상태로 이루어져 있으며, 플라스마로 가득 차 있는데, 장치에 전기 충격을 가하거나 전자기파, 중성자 빔을 쬐어 장치의 에너지를 높이면 내부의 플라스마가 가열된다. 이렇게 가열된 고온의 수소 원자가 장치 속에서 맴돌며 핵융합이 발생한다. 이 고온의 플라스마는 이를 담고 있는 장치까지 녹여버리기 때문에 고온을 유지하는 것이 기술의 관건이라고 할 수 있다. 현재 플라스마를 장치 안에 가두는 원리는 전류를 이용한다. 전류를 이용해 플라스마를 장치 구조물과 닿지 않게 공중에 띄우는 것이다. ITER은 가장 진행률이 높고 투자가 많이 이뤄진 핵융합 발전 방식이다.

우리나라의 핵융합 발전 프로젝트

우리나라에선 KSTAR라고 불리는 토카막을 이용해 핵융합 프로젝트를 진행하고 있다. ITER 발전 방식을 이용한 것이다. KSTAR는 가로 37m, 세로 50m, 높이 30m로, 축구장의 1/4 크기이다. 2021년 11월, 한국의 인공태양 KSTAR가 1억도 30초 운전에 성공했다는 소식으로 화제가 됐었다. 전 세계에 한국, 중국, 일본 총 세 곳에 있는 세 개의 초전도체 토카막 중 최초로 달성한 기록이다. 현재는 고온을 유지하는 것이 KSTAR의 목표이며, 구체적으로는 2026년까지 300초까지 유지하는 것이 목표이다.

학생기자 남선민(BISS Y12)

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