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 |