수소와 핵융합의 연결고리를 통해 알아본 인공태양

수소와 핵융합의 연결고리를 통해 알아본 인공태양

 

1. 인공태양이란?

 사냥을 하고 돌로 불을 만들어 조리를 했던 선사시대를 거쳐 석유, 석탄을 추출하여 에너지를 얻어 사용하고 있는 지금, 그리고 더 나아가 신재생 에너지 보급의 증가로 탈탄소화 사회로 거듭나게 될 미래를 생각해보자. 인류는 시간적 흐름 속에서 에너지원을 어떻게 만들고, 사용하는가에 따라서 문명의 발전을 이루었고 사회적으로 큰 패러다임을 일으켰다. 다시 말하면 에너지의 사용이 곧 경제·사회·문화와 연결되어 세상을 움직였던 것이다.

 몇 년전, 2011년 일본에서 후쿠시마 원전사고가 일어나고, 쓰나미가 세계적으로 강타했다. 그 이후 전 세계는 이를 대비하기 위해 신재생에너지에 관심을 쏟고 있으며, 보급이 급증하고 있다. 하지만, 이보다 더 큰 이유는 4~50년 후면 화석연료의 고갈이 일어나기 때문이다. 이에 근거하여 지속가능한 에너지원에 대한 연구가 떠오르고 있는 가운데, 그 중 하나가 아이언맨과 같은 SF영화에서 등장하는 핵융합에 기초를 둔 인공태양에 대한 연구이다.

[그림 1. 스파이더맨2 영화 속 장면]

 ‘꿈의 에너지’라 불리고 있는 인공태양, 이것은 수소와 핵융합 발전과도 밀접한 관련이 있다. 그러므로 핵융합 발전과 수소에 대해 알아보는 것은 인공태양을 이해하는데 도움이 될 것이다.

2. 수소+핵융합

 핵융합 반응은 태양이나 별에서 에너지를 발산하는 물리적 원리를 이용한 것으로, 고온·고압의 조건 하에서 가벼운 수소(H)입자 4개가 합쳐져 헬륨입자를 생성하게 된다. 이 때, 아주 큰 에너지가 발생하게 됨으로써 전기를 얻어낸다. 여기에서 수소를 고체, 액체, 기체 상태가 아닌 제4의 물질 상태인 플라즈마 상태로 만들어야 한다는 점이 전제조건이다.

 

[그림 2. 물질의 상태]

출처:http://ko.wikipedia.org/wiki(위키페디아)

 한 편, 핵융합의 연료로 주목받고 있는 것이 수소인데 그 중에서도 특히 중수소와 삼중수소이다. 그렇다면 핵융합 원소란 무엇이고, 이는 어디에서 얻을 수 있는 것일까?

 수소원소에는 원자번호는 같지만 원자량이 다른 즉, 동위원소가 존재하는데 경수소, 이중수소, 삼중수소가 있다. 그 중에서 질량수가 2인 것이 중수소이다. 중수소는 바닷물을 전기분해하여 얻을 수 있다. 바닷물 1L에는 약 0.03g의 중수소가 포함이 되어있다. 다시 말해, 약 30L 속에 1g 들어있는 것이다. 이와 더불어 삼중수소는 중수소보다 자연에 존재하고 있는 양은 적지만, 리튬과 중성자의 반응을 통하여 얻을 수 있다. 리튬은 에너지저장시스템으로도 현재 쓰이고 있을 정도로 매장량이 풍부한 편이라 할 수 있다. 따라서 지구 표면의 70%가 바다라는 점을 고려한다면, 핵융합과 인공태양의 에너지는 무한에 가깝다고 할 수 있다.

[그림 3. 핵융합 반응 원리] 출처: study.zum.com(신에너지 학습백과)

 또한, 핵융합에너지는 방사능이 유출되어 위험성이 있고, 고준위 핵폐기물 처리가 곤란한 원자력 발전의 단점을 해결할 수 있는 큰 장점을 가지고 있고, 탄소가스가 거의 배출되지도 않기 때문에 대용량 고효율의 미래에너지이기도 한 것이다.

3. 인공태양이 우리 에너지산업에 얼마나 영향을 미칠까?

 지구에서 핵융합에너지를 얻으려면 무엇보다 태양처럼 핵융합반응이 일어날 수 있는 초고온ㆍ초고압 상태의 환경을 인위적으로 만들어야 한다. 이를 가능하게 하는 것이 바로 인공태양으로 불리는 핵융합장치다. 핵융합반응을 일으키는 장치는 여러 가지 형태가 있을 수 있지만 현재까지 실용화에 가장 근접한 것은 ‘토카막’(Tokamak) 방식이다. 핵융합발전을 통해 얻을 수 있는 인공태양은 여러 산업에 영향을 줄 수 있다. 특히 연간 에너지 방출량이 원자력의 4배이고, 연료비용 또한 약 100배에 절감효과가 있고 연료비용면에서도 혼합연료 1g으로 10만kw 전기 생산이 가능하다. 무엇보다 환경친화적인 청정에너지라는 점에서 화석연료와 달리 온실가스를 전혀 배출하지 않는다. 또한 원자력발전의 0.04%에 불과한 미량의 방사능에 의한 중저준위 폐기물이 발생하기 때문에 폐기물 처리 비용이 아주 적게 든다.

[그림 4. 원자력발전과 핵융합발전의 비교]

출처: KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 한국형핵융합연구로

 

4. 인공태양의 미래는?

[그림 5. 방전 중인 EAST 장치 일부분의 모습]

사진출처: 바이두

 최근연구결과로는 올해 2월 4일 중국의 플라즈마물리연구소가 자체 제작한 핵융합 장치인 '초전도 토카막 핵융합 실험장치(EAST)'가 지난달 말 진행한 한차례 실험에서 5000만 전자온도의 플라즈마를 102초 동안 방전하는데 성공했다고 밝혔다. 또한, 지난 2006년부터 중국에서 진행 중인 국제협력 프로젝트, 국제핵융합실험로(ITER)의 연구팀은 전자 온도가 1억도인 플라스마를 1000초 동안 내보내는 것을 다음 목표로 연구를 진행한다고 밝혔다.

 1ℓ의 바닷물에서 추출한 삼중수소가 완전한 핵융합 반응을 하는 과정에서 방출하는 에너지는 300ℓ의 휘발유가 탈 때 방출하는 열에너지와 맞먹기 때문에 핵융합발전을 통한 인공태양의 개발로 발전소를 건립할 경우 하나의 인공태양을 세운 것과 같은 에너지를 얻을 수 있다. EU가 향후 2050년 이전에 핵융합 발전을 실현한다는 계획을 세웠는데 앞으로의 인공태양 개발의 미래에 기대를 걸어본다.