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[Remake] 인공태양의 실현에 성큼 다가가다

by R.E.F.18기 정동호 2021. 6. 28.

[Remake] 인공태양의 실현에 성큼 다가가다

대학생신재생에너지기자단 18기 정동호

17기 서유경님의 "인공태양의 실현에 성큼 다가가다" 기사의 Remake 버전입니다.
기사 작성에 도움을 주시고 배려해주신 서유경님께 감사드립니다.

 

생명체의 필수 에너지, 태양

태양은 지구에 사는 대부분의 생명체에게 필요한 에너지를 제공하는 가장 중요한 근원이다. 땅속이나 깊은 심해에 사는 소수 생명체를 제외하고 지표 근처에 사는 대부분의 생명체는 태양에너지를 이용해 살아간다. 태양은 현재 초당 약 3.9×1,028J에 해당하는 에너지를 생산하는데, 이는 핵폭탄 약 1,000조개에 달하는 수준이다.

태양이 이같은 무한한 에너지를 일으킬 수 있는 근원은 핵융합반응이다. 지구에서 이같은 핵융합에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 여기서 플라즈마란 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태로 흔히 “물질의 제4의 상태”라고 부른다. 태양을 비롯한 우주는 99% 이상이 플라즈마 상태이다. 번개나 오로라 같은 자연에서 볼 수 있는 플라즈마 외에도, 형광등이나 네온 사인 및 PDP와 같은 플라즈마를 활용한 전자 제품들을 일상생활에서 접할 수 있다. 지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 태양과 같은 초고온의 플라즈마 상태를 필요로 한다.

또한 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합 장치인 토카막은 도너스 모양 주변에 자석들이 배치된 모양으로 고안되었는데, 이때 주변의 자석들은 도너스 모양 내부에 자기장을 형성한다. 그리고 플라즈마를 구성하는 이온과 전자들은 자기력선을 따라 로렌츠 힘(Lorentz force)을 받아 서로 다른 방향으로 운동하며 토카막 내부에 갇히게 된다. 갇힌 플라즈마들은 다양한 장치들로 가열되어 태양의 중심에서처럼 핵융합이 일어날 수 있는 환경이 된다.

[자료1. 전형적인 토카막 구조]

출처 : 네이버지식백과

마지막으로 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다. 이같은 초고온 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있다.

 

핵융합에너지 발생에 필요한 세 가지 조건

1. 바닷물이 필요하다.

핵융합발전의 연료는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소를 사용한다.
중수소는 바닷물을 전기분해하며, 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬과 중성자를 반응시켜 얻을 수 있다. 바닷물은 지구 표면의 70% 이상을 뒤덮고 있으며, 리튬 또한 매장량이 풍부하다.
따라서 핵융합 발전에 필요한 연료는 거의 무한하다고 볼 수 있다.

2. 1억 도의 플라즈마가 필요하다.

양(+)전하로 밀어내는 성질을 지닌 원자핵들이 융합하기 위해서는 온도를 높여 서로 밀어내려는 반발력을 이기고 충돌할 수 있도록 해야 한다.
핵융합 반응이 일어나는 태양 중심부는 약 1,500만도 정도이며, 지구에서 핵융합을 만들기 위해서는 태양보다 뜨거운 1억도 이상의 높은 온도의 플라즈마를 필요로 한다.

3. 1억도의 플라즈마를 담을 용기가 필요하다.

지구에서 핵융합을 실현하기 위해서는 인공적으로 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 담고, 핵융합 반응이 유지되도록 가둬 둘 용기가 필요하다.
이를 위해서 전 세계적으로 다양한 방식으로 연구가 이루어지고 있다. 현재 상용화에 가장 가까운 핵융합 장치는 도넛 형태의 자기장 가둠 방식을 이용하는 ‘토카막’ 장치이다.
플라즈마는 전기적 성질을 띤 이온이기 때문에 전기장을 걸어주면 자기력선 주위를 마치 꽈배기처럼 맴돌며 일정한 방향으로 움직이게 된다. 이를 도넛 형태로 이어주게 되면 플라즈마는 도넛 안을 끊임없이 돌며 핵융합을 만들게 된다.

 

핵융합과 핵분열의 차이

핵융합 반응은 태양계에서 일어나는 반응이다. 가벼운 핵들이 서로 결합해 더 무거운 원소가 될 때 질량이 줄어들면서 에너지가 방출된다. 이 반응은 수소가 풍부한 태양이나 다른 항성들에서 에너지를 생성하는 반응으로 중수소와 중수소, 혹은 삼중수소와 중수소의 반응이 있다.

핵분열은 현재 인류가 활용하고 있는 원자력 기술이다. 우라늄과 같이 무거운 원소가 중성자와 충돌하면 두개의 작은 핵으로 나눠지고 줄어든 질량만큼 에너지를 방출하게 된다. 이때, 2~3개의 중성자가 함께 방출되는데 이는 또 다른 우라늄 원소와 충돌해 연속적인 핵분열을 일으키게 된다. 이렇게 수많은 핵분열이 모여 발생한 에너지는 전기를 생산하거나 엔진의 동력으로 사용하며 중성자와 같이 핵분열로 발생한 입자들을 이용해 여러 가지 실험과 연구를 수행하고 있다.

  핵융합에너지 핵분열에너지
장점
-원료 풍부(지구상에 분포율 풍부)
-탄소가스 배출X
-폐기물 배출X
-이산화탄소 배출X
-방사능의 위험성 ↓


-저렴한 연료비
-이산화탄소가 배출X

단점 높은 열과 압력 필요 -우라늄 매장량의 한계
-방사성 폐기물 처리 문제

[자료2. 핵융합에너지와 핵분열에너지의 특징]

출처 : 자체제작

 

국내 핵융합 연구 현황 및 사례

국가핵융합연구소(NFRI, National Fusion Research Institute)에 따르면 KSTAR(Korea SuoerConducting Tokamak Adavanced Research)는 2008년 국내 최초 플라즈마 목표 달성 이후로 아래와 같이 꾸준히 유의미한 성과를 내고 있다.

2008년  -KSTAR 최초 플라즈마 목표 달성
    >세계 최초로 단 한 번에 종합 시운전 완료
    >본격적인 핵융합 플라즈마 연구추진 기반 마련
2009년  -실험 목표 플라즈마 전류 320kA(목표 300kA) 및 유지시간 3.6(목표 2.0) 달성
    >타 기관 핵융합연구장치 운전 능력 참고치 : 중국 EAST는 최대전류 15kA 운전, 프랑스 Tore Supra1.4kA 운전
2010년  -초전도 핵융합장치에서의 H-모드(초고온 고성능) 세계 최초 달성
    >프랑스의 경우 20여 년간 H-모드(초고온 고성능) 달성을 위해 노력하였으나 끝내 달성하지 못함
2011년  -H-모드(초고온 고성능) ELM(경계면 불안정현상) 제어 및 H-모드 플라즈마 5.2초 연장·유지
    >핵융합 선진국에서 해결하지 못한 과학적 난제 해결 가능성 제시
2012년  -실시간 플라즈마 형상 제어 및 H-모드(초고온 고성능) 플라즈마 17초 유지
    >일본 및 미국은 H-모드(초고온 고성능)에서 약 10초 수준 유지하였으며, 중국의 EAST는 약 6초 유지
2013년  -ECH 가열장치를 사용한 플라즈마 내부 불순물 제거 실험 성공 및 H-모드(초고온 고성능) 플라즈마의 20초 안정적 유지
    >불순물 제거기술은 장시간 운전이 요구되는 ITER 장치 및 핵융합발전소 등에 반드시 필요한 기술
2014년  -KSTAR 10,000샷 달성과 경계면 불안정 현상(ELM) 제어기술 확보 및 H-모드(초고온 고성능) 플라즈마의 48초 안정적 유지
(KSTAR10,000번째 플라즈마 실험 달성은 성공적인 핵융합 플라즈마 실험이 수행되고 있음을 의미)
    >중국의 EASTH-모드(초고온 고성능)에서 약 30초 유지
2015년  -고성능 모드
    >독일의 W7X는 최초 플라즈마를 달성하였고, 중국의 EASTL-모드에서 102초 달성
2016년  -고성능 플라즈마 (H-mode) 대전류(1MA) 및 장시간(70) 운전 달성
2017년  -플라즈마 경계영역 불안정성(ELM) 최장시간(34) / 고성능 플라즈마(H-Mode) 최장시간(73) 유지
2018년 -경계면 불안정성이 없는 H-모드 플라즈마의 특성 및 발생 원리에 대한 실험적 분석 및 검증
-KSTAR 고성능 장시간 플라즈마 운전 시간 90초 달성
-내부수송장벽 (ITB) 형성을 통해 1.5초간 중심온도 1억도 유지
2019년 -KSTAR의 고자장 고성능 토카막 플라즈마 형성 및 안정적 운전 연구
2021년 -KSTAR 1억도의 초고온 플라즈마 전세계 최초 20초 운전

[자료3. KSTAR의 운영성과]

출처 : 자체제작

인공태양, 핵융합 발전은 1억 도가 넘는 초고온 플라즈마를 300초 이상 유지해야 활용 가능하다. 이를 위해서는 초전도체, 초고진공 등 시설과 소재, 기반기술이 뒷받침돼야 한다. 막대한 예산, 인력도 필수다. 모든 면에서 난제로 여겨졌던 게 사실이다. 때문에 핵융합 연구가 활성화되기까지 오랜 시간이 소요되었다. 

우리나라는 국가핵융합연구소(현재 한국핵융합에너지연구원)에서 1995년 무렵부터 핵융합 연구를 시작했다. 2007년에는 국내 기술로 대덕연구단지 내에 KSTAR(차세대초전도 핵융합 연구장치)를 완성했다. 토카막 방식으로 한국형 인공태양 시설이다. KSTAR는 2008년 첫 플라즈마를 발생시키는데 성공한다. 지난해에는 2만5900여 번의 실험을 통해 1억도 초고온 플라즈마를 20초 유지하는 데 성공했다. 핵융합 발전 상용화에 한 걸음씩 다가가고 있다.

핵융합은 모든 종류의 지식이 필요한 거대종합과학이다. KSTAR 건설 당시부터 연구원과 대학을 비롯하여 많은 산업체의 참여와 노력이 있었다. 그 귀한 경험이 ITER 건설과 운영에서도 많은 역할을 하게 될 것이다. 이를 통해 우리는 이 분야에서 선두주자로 우뚝 설 것으로 기대된다. 태양의 비밀을 훔쳐 인공태양을 만들려는 과학자들의 노력이 병들어가는 지구를 살릴 수 있는 한 줄기 빛이 되기를 희망한다.

 


참고문헌

[생명체의 필수 에너지, 태양]

1) 황민규 기자, ChosonBiz, "[과학TALK] 꿈의 에너지 '인공태양' 어디까지 왔을까, 2020.3.28, https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/03/27/2020032704650.html

2) 핵융합에너지연구원, https://www.kfe.re.kr/kor/pageView/14

3) 네이버지식백과, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5741575&cid=60217&categoryId=60217 

[핵융합에너지 발생에 필요한 세가지 조건]

1) 핵융합에너지연구원, https://www.kfe.re.kr/kor/pageView/14

[핵융합과 핵분열의 차이]

1) 한국에너지공단블로그, http://blog.energy.or.kr/?p=6106 

2) 한국원자력연구원, https://www.kaeri.re.kr/board;jsessionid=26F668EA22FE4933563E9EBDF6E3C4C6?menuId=MENU00450&siteId=null 

[국내 핵융합 연구 현황 및 사례]

1) 핵융합에너지연구원, https://www.kfe.re.kr/kor/pageView/14

2) 황응준, 헬로디디, ""인류의 미래, 인공태양을 만든다" KSTAR", 2021.4.15, https://www.hellodd.com/news/articleView.html?idxno=92419 

 

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