인공태양
Artificial Sun. 人工太陽
말 그대로, 인간이 창조해 낸 태양(항성). 주로 SF물에서 등장하는 개념으로, 인공행성이나 링 월드, 다이슨 스피어 제작과 같이 범 우주적인 구조물 건설의 예시로 들 수 있다.
다만 정말로 태양급의 항성을 만들어서 활용한다는 개념이 아닌, 태양이 막대한 빛과 에너지를 발생시키는 원천인 핵융합의 원리를 이용한 핵융합 발전 장치도 인공태양이라고 지칭되기도 한다. 아예 현실에서 핵융합 발전 장치를 일컫는 수식어로 쓰일 정도로 유명한 용례다.
핵융합 발전기를 인공태양으로 칭할 경우 태양의 특성인 광원으로써 역할보다는 그냥 단순히 막대한 에너지를 만들어내는 발전 장치로 이용되는 편이다. 고증을 크게 신경쓰지 않는 스페이스 오페라-판타지 매체에서는 실제로 작은 항성을 상온에서 만들어 유지하며 시설의 동력원으로 사용하는 초월적인 기술로 나오기도 한다. 핵융합 발전을 유지하기 위해서는 고온고압의 환경이 필요하다는 점에 착안해 나름 현실성을 덧붙이는 경우 인공적으로 만들어진 태양이 특수한 케이지에 격납되어 활용되는 편.
반면 상기한 케이스와는 별개로 태양과 같은 막대한 광원을 발생시켜 야간/지하 환경을 한낮 수준으로 밝히는 광원 장치를 칭하는 경우로 나오기도 한다. 이 케이스의 경우 원리나 형태가 태양과 동떨어진 경우도 있으며, 장치는 광원만 발산하고 동력원은 따로 있는 경우도 있다.
만드는 법
기본적으로 핵융합에는 고열이 필요하다. 커다란 천체의 경우 생성 초기에 중합된 고중량원소의 붕괴열+소천체 흡수 충돌열 등 자체적으로 고온 환경을 만들어낼 수 있고, 그 덩치가 일정 이상 늘어나 심부 압력이 높아지면 온도는 더욱 더 올라가 스스로 핵융합을 일으킬 수 있는 상태가 된다.
그러나 이만한 규모의 물질을 사람 손으로 다루기는 극히 어렵다. 기술적 난점을 고려하지 않았을 때, 현상 자체를 고속화시킬 수 있는 방법은 있긴 한데, 일단 항성의 핵이 될 수 있는 고중력체가 필요하다. 일반적 거대 행성 급의 중력으로는 몇억 년이 걸릴지도 모르기 때문에, 최소한 백색왜성이나 중성자별 급의 물건이 필요하다. 이것을 성간물질이 많은 곳에 위치시키면 자동적으로 주위의 가스들을 끌어모아 핵융합을 일으킬 수 있다. 그런데 이런 방식의 경우 가스가 충분히 모이기도 전에 표면에서 핵융합 폭발이 일어나 주위의 원소들을 날려버리므로, 일정 고도 이하로 내려가지 않도록 가스를 막아줄 역 다이슨 스피어가 필요하다.
이래도 수만년쯤은 우스울 시간이 걸리겠지만, 어쨌건 만들 수는 있을 것으로 예상된다. 그런데 핵융합을 이용해 에너지를 얻는 방식은 보다 소규모로, 제어하기 쉬우며, 실현 가능성이 높은 방법이 이미 있으므로 아주 먼 미래에 완전 독립형 우주 콜로니를 만들 때 정도가 아니면 쓸모가 없을 것이다. 태양계에 떠있는 실제 태양 제작법
핵융합 발전의 원리
핵융합 에너지는 핵분열 원자력과는 완전히 반대되는 발전 과정을 가지고 있습니다. 핵분열에 비해 높은 에너지를 발생시키는 핵융합은 태양이 불타는 원리를 참고하였습니다. 태양은 수소, 헬륨의 핵융합 반응으로 엄청난 열과 빛의 에너지를 지속해서 뿜어내고 있습니다. 태양에서는 수소 원자 4개가 합쳐져 1개의 헬륨을 만드는데, 매초 7억 톤의 수소가 헬륨으로 변환되고 있습니다. 이 과정에서 태양은 초당 4조 와트의 100조 배에 달하는 에너지를 방출합니다.
핵분열과 핵융합에 대한 기초적인 이해는 모두 아인슈타인의 상대성 원리1) 공식에 도움받은 것이라고 볼 수 있습니다. 원자의 질량이 손실되어 사라지면서, 그에 상응하는 에너지가 발생한다는 원리를 따르는데요. 즉, 핵분열 과정에서도, 핵융합 과정에서도 일정량의 질량 손실이 발생하며, 그 물질이 사라지면서 에너지가 생긴다는 것입니다. 우리나라의 네 곳의 원자력 발전소에서는 핵분열 발전 방법으로 연간 750톤의 농축 우라늄과 천연 우라늄을 사용해 전기를 생산합니다.
핵융합은 연료로 중수소와 삼중수소를 특수 전기 장치를 이용해 섭씨 1억 도까지 올리면 전자가 분리되고, 이온화된 다량의 원자핵과 전자가 고밀도로 몰려 있는 플라즈마2) 상태가 됩니다. 플라즈마 상태의 중수소와 삼중수소가 서로 충돌하면 중성자와 헬륨이 생성됩니다. 이때 생성된 중성자와 헬륨의 질량의 합은 충돌 전의 중 수소, 삼중수소의 질량의 합보다 작은데, 이 질량의 차이가 에너지로 변환됩니다. 그래서 핵융합 발전은 태양광, 풍력 등과 함께 신재생 에너지로 미래의 에너지원이라 불립니다.
핵융합 발전을 위한 환경
지구는 태양처럼 핵융합 반응이 일어날 수 있는 초고온 및 고압 상태의 환경이 아니어서, 자기장이나 레이저를 이용해 태양과 같은 환경을 인공적으로 조성하는 ‘핵융합로’를 만들어야 합니다. 이것이 사실 핵융합 기술의 핵심이라고 할 수 있습니다. 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합 장치와 연료인 중수소와 삼중수소가 필요합니다. 수억 도의 플라즈마 상태에서 수소 원자핵들이 융합해 태양 에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있는 것입니다.
핵융합 장치는 이 같은 초고온의 플라즈마를 진공 용기 속에 넣고, 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두어 핵융합 반응이 일어나도록 하는 원리를 갖고 있습니다. 이때 플라즈마가 핵융합 장치 벽면에 직접 닿지 않기 때문에 벽면 부분의 온도는 수천 도에 불과합니다. 핵융합 장치는 이처럼 태양에서와 같은 원리로 에너지를 만들어낸다고 해 ‘인공 태양’이라 불리기도 합니다.
우리나라의 핵융합 발전 기술
국가핵융합연구소는 핵융합 장치인 차세대 초전도 연구장치 KSTAR(Korea Superconducyion Tokamak Advanced Research)를 국내 기술로 개발했기 때문입니다. KSTAR는 2007년 9월 건설이 완공되어 종합 시운전을 거쳐 2008년 7월 최초 플라즈마 발생을 선언하고 본격적인 운영 단계에 들어섰습니다.
원래 우리나라는 핵융합 분야에서 국제기구에 참여할 만한 자본도 기술력도 없는 상태였습니다. 그러나 10여 년간의 연구를 통해 독자적으로 진보한 기술을 획득한 것입니다.
KSTAR 핵융합로의 구조는 가정에서 쓰는 전자레인지와 같습니다. 전자레인지 안에 중수소라는 요리를 넣고, 300초 이상 마이크로파를 투여해 가열합니다. 그러면 전자레인지 안이 3억 도 온도까지 올라가고, 그 온도에 이르면 중수소라는 요리가 스스로 질량이 줄어들면서 손실된 질량만큼의 방대한 빛과 열에너지를 방출하기 시작합니다. 그 열에너지를 밖으로 뽑아내어 물을 끓여서 그 수증기로 발전기 터빈을 돌려 전기를 생산해내는 것입니다. 중수소를 데우는 데 소모되는 전기에너지는 1와트인 반면에, 3억 도 온도가 된 중수소가 스스로 내뿜는 에너지는 수십 기가 와트의 전기에너지가 됩니다.
핵융합 발전의 과제
핵융합 발전이 상용화되려면 투입된 에너지보다 생산된 에너지가 20배 이상 많아야 하는데 현재는 거의 같은 수준이라 아직 기술적인 연구와 개발이 많이 남아 있는 분야라는 것이 전문가들의 의견입니다.
3억 도 온도가 되어도 전자레인지가 녹거나 폭발하지 않게 하는 기술, 그리고 에너지가 갑자기 다량으로 방출되지 않게 하고 그 발생하는 에너지를 통제할 수 있는 기술 등 여러 가지 최첨단 기술이 필요합니다.
중수소 1g은 석유 8톤과 같은 에너지를 만들어낼 수 있습니다. 삼중수소도 지각과 바닷물에 풍부한 리튬에서 추출할 수 있으며 현재 전 세계에 3,000년 이상 사용할 수 있는 양이 매장되어 있습니다. 이런 이유로 핵융합 발전에 대한 기대를 감출 수 없고, 계속 투자를 하는 것입니다.
에너지 수입 의존도가 97%가 넘는 우리나라에서는 매우 중요한 분야입니다. 핵분열에서 문제가 되는 방사능도 문제가 없어 성공적인 개발이 더욱 기대합니다.
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1) 상대성 원리
운동의 절대적 기준, 즉 움직이지 않고 정지해 있다는 데 대한 절대적 기준이 없다는 원리. 달리 표현하면 등속으로 움직이는 어느 좌표계에서든 물리 법칙이 동일하다는 것 2) 플라즈마 기체 상태의 물질에 열을 가하면 만들어지는 이온핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체 |
인공 태양' 핵융합의 최대 난제로 꼽히는 플라스마 붕괴 원인인 자기장 불안정성을 극복할 인공지능(AI) 자율제어 기술이 개발됐다.
한국연구재단은 중앙대학교 서재민 교수와 미국 프린스턴대학교 에그먼 콜먼 교수 공동연구팀이 인공지능을 이용해 핵융합 인공 태양의 불안정성을 피할 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
인공태양은 태양에너지의 원천인 핵융합 반응을 지구상에서 구현해 에너지를 얻는 차세대 친환경에너지 기술이다.
태양의 중력 대신 강한 자기장을 이용, 수소 플라스마를 핵융합로에 가두고 고온·고압 환경에서 지속적인 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생산한다.
하지만 고온·고압의 플라스마에서 발생하는 '자기장의 찢어짐' 불안정성은 플라스마 붕괴를 일으키는 가장 큰 요인이다.
이는 국제핵융합로 ITER와 같은 미래 인공 태양 운영의 난제로 여겨졌다.
ITER는 핵융합 에너지 상용화 가능성을 실증하기 위한 거대 인공 태양으로, 우리나라를 비롯한 세계 35개국이 참여하는 인류 역사상 최대 규모의 국제 공동 과학 프로젝트다.
연구팀은 핵융합로 내부 센서들을 이용해 플라스마 상태를 모니터링하고, 플라스마 불안정성을 예측하는 시스템을 개발했다.
이 예측 시스템에 강화학습 인공지능을 도입해 다양한 플라스마 상태에서 높은 압력의 플라스마를 붕괴시키지 않고 안정적으로 유지하는 방법을 학습시켰다.
이 기술을 미국 최대 핵융합 장치인 'DⅢ-D'에 적용한 결과, 인공지능을 가진 인공태양이 스스로 찢어짐 불안정성을 피해 가며 높은 성능의 플라스마를 유지하는 것을 실험적으로 입증했다.
특히 찢어짐 불안정성과 붕괴가 쉽게 발생하는 ITER 기준조건에서도 인공지능이 플라스마를 안정적으로 유지했다.
이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처'에 이날 실렸다.
태양보다 3배 뜨거운 인공태양
“1066초 동안 섭씨 1억도 초과 플라즈마 온도 달성”
허페이 ‘플라즈마 물리학 연구소’, 기존 기록 갱신
중국 과학자들이 태양보다 3배 더 뜨거운 ‘인공 태양’을 개발했다고 관영 신화통신과 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 21일 보도했다.
신문은 “무한하고 저렴한 에너지를 생산할 수 있는 핵융합로를 건설하고자 하는 중국의 과학자들이 1066초 동안 섭씨 1억도가 넘는 지속적인 플라스마 온도를 달성했다”며 “이는 세계 기록”이라고 전했다.
안후이성 허페이에 위치한 ‘플라즈마 물리학 연구소’가 20일 ‘실험적 고급 초전도 토카막(EAST) ’, 이른바 ‘인공 태양’으로 불리는 시설에서 이 같은 기록을 달성했다고 신문은 설명했다. 이 기록은 EAST가 2023년 4월 세운 403초의 기존 기록을 넘어섰다.
연구원들은 핵융합로를 현실화하기 위한 중요한 단계로 여겨지는 중국의 ‘인공 태양’ 프로젝트를 위한 실험 장치에 대한 테스트를 진행하고 있다.
쑹윈타오 연구소 소장은 “자체 지속형 플라스마를 달성하고 핵융합 발전소가 지속적으로 전기를 생산할 수 있도록 하려면 핵융합 장치가 수천 초 동안 안정된 상태에서 매우 효율적으로 작동해야 한다”고 말했다.
과학자들에 따르면 지구에서 실행 가능한 핵융합을 달성하려면 태양보다 더 뜨거운 플라스마 온도가 필요하다.
태양 핵심의 온도는 섭씨 약 1500만 도라고 한다.
쑹 소장은 “1억도와 1000초의 한계를 넘어선 것은 미래의 핵융합 발전소의 운영 환경을 시뮬레이션할 수 있는 우리의 역량을 입증한 것”이라고 평가했다.
핵융합은 가벼운 원자핵을 더 무거운 원자핵으로 결합시켜 그 과정에서 엄청난 양의 에너지를 방출한다.
이는 태양과 다른 별이 에너지를 공급하는 것과 같은 반응으로 우주에서 가장 기본적인 에너지원 중 하나다.
전통적인 에너지원과 달리 핵융합은 풍부한 원자재를 사용하고 온실 가스를 배출하지 않아 인류의 에너지 과제를 해결할 수 있는 가장 유망한 해결책 중 하나로 여겨진다.
다만 태양 내부의 조건을 재현하는 것은 여전히 엄청난 도전 과제다.
핵융합 장치는 플라즈마(매우 뜨겁고 전기적으로 충전된 물질 상태)를 섭씨 1억도 이상으로 가열하고 핵융합 반응을 촉발할 만큼 오랫동안 유지해야 한다.
토카막은 과학자들이 현재 연구하고 있는 핵융합 기술의 최전선에 있다고 SCMP는 전했다.
도넛 모양의 이 장치는 강력한 자기장을 사용하여 플라스마를 가두고 극한의 온도로 가열한다.
2006년에 완공된 EAST는 핵융합 연구를 위한 세계 최고의 플랫폼 중 하나로 지금까지 15만 회 이상의 플라스마 작업이 이루어졌다.
연구팀은 일련의 테스트를 통해 플라스마 작업 시간을 30초에서 1066초까지 늘렸다.
차세대 ‘인공 태양’ 프로젝트인 핵융합 공학 시험로(CFETR)를 연구하는 과학자들은 엔지니어링 설계 단계를 완료했으며 이 시설은 2035년까지 가동될 예정이다.
한국산 인공 태양 ‘KSTAR’, 1억도 48초간 유지 성공…또 세계 신기록
2021년 ‘30초’에서 1억도 유지 시간 연장
2026년 핵융합 발전 조건 ‘300초’ 목표
한국 연구진이 개발한 핵융합연구장치인 ‘KSTAR(케이스타)’가 1억도 초고온을 48초간 유지하는 데 성공했다. KSTAR가 갖고 있던 종전 세계 기록(30초)을 자체 경신한 것이다. 연구진은 핵융합 발전을 실현할 수 있는 시작점인 ‘1억도 300초 유지’를 2026년까지 달성할 계획이다.
한국핵융합에너지연구원은 지난해 12월부터 지난달까지 진행한 KSTAR 대상 실험을 통해 핵융합을 하기 위한 핵심 조건인 이온 온도 1억도 초고온 플라즈마를 48초간 유지하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.
핵융합은 태양이 빛과 열을 내는 원리다. 핵융합을 지구에서 구현하기 위한 주연료는 바닷물에서 뽑을 수 있는 중수소와 리튬이다. 연료 1ｇ이 석유 8t과 맞먹는 에너지를 낸다. 핵융합은 현재 원자력발전소에서 사용하는 핵분열과 달리 고준위 방사성 폐기물을 내놓지 않는다.
KSTAR는 2018년에 처음으로 이온 온도 1억도짜리 초고온 플라즈마를 만든 뒤 꾸준히 초고온 유지 시간을 늘려왔다. 2021년 1억도를 30초간 유지하며 세계 기록을 달성했고, 이번에는 그 기록을 자체 경신했다.
연구원은 1억도를 48초간 유지한 이번 성과가 지난해 KSTAR 내부 장치인 ‘디버터’ 소재를 텅스텐으로 바꾼 데 따른 것이라고 설명했다.
기존 탄소 소재 디버터는 1억도 초고온 유지 시간을 오래 유지하기 어려운데 그런 문제를 텅스텐으로 교체해 해결한 것이다. 텅스텐은 탄소 디버터와 비교해 같은 열을 받아도 온도가 증가하는 수준이 4분의 1에 그친다. 한마디로 덜 뜨거워지기 때문에 더 오랫동안 초고온을 버틸 수 있다.
연구진은 2026년까지 1억도 초고온을 300초간 운전하는 것이 목표다. 이 정도 시간을 유지하면 핵융합으로 실제 발전소를 돌리기 위한 기본 조건을 만들 수 있게 된다. 이를 위해 올해 하반기에 KSTAR를 대상으로 1억도를 이번 48초보다 더 오랫동안 유지하는 실험을 실시할 예정이다.
윤시우 핵융합에너지연구원 KSTAR 연구본부장은 “텅스텐 디버터를 장착한 뒤 진행된 첫 실험인데도 기존 성과를 뛰어넘는 결과를 단기간에 달성했다”며 “장시간 운전에 요구되는 핵심 기술을 확보해 나갈 계획”이라고 밝혔다.