KSTAR 세계 첫 핵융합로 표준…2050년 상용화, 한국과학자들 선도

‘아이언맨(Iron Man)’은 마블코믹스의 슈퍼히어로 캐릭터 중 하나로 가장 높은 인기를 구가하는 캐릭터다. 영화 ‘아이언맨’ 시리즈와 ‘어벤져스’에 등장하는 이 캐릭터는 우리가 친숙한 다른 슈퍼히어로들과 다소 다르다. 슈퍼맨, 헐크, 캡틴아메리카 등 특별한 능력을 갖고 있는 다른 캐릭터들과 달리 아이언맨은 높은 기술력을 통해 제작된 슈트를 평범한 인간이 입고 악을 물리친다는 점이다. 이 슈트는 티타늄으로 둘러싸였으며 인공지능 컴퓨터가 탑재됐고 비행과 공격이 가능하다. 이 슈트의 에너지원은 ‘아크 원자로’다. 아크 원자로의 기본 원리는 ‘핵융합’이다. 핵융합이란 원자핵이 반발력을 어기고 서로 합쳐지는 과정으로 이 과정에서 발생하는 질량결손으로 인해 막대한 에너지를 얻을 수 있게 된다. 태양이 빛과 열 등 막대한 에너지를 분출할 수 있는 원리도 바로 이 핵융합이며 이 때문에 핵융합에너지를 두고 ‘인공태양’이라고 부르기도 한다. 이 원리는 1920년대 영국의 물리학자 프랜시스 애스턴에 의해 발견됐으며, 미세한 원료로 현존하는 에너지원과 비교할 수 없을 정도로 큰 에너지를 얻을 수 있다는 점에서 연구가 시작됐다. 우리나라는 1970년대 후반 이 연구를 시작했다. 세계적으로 후발주자에 속하는 셈이다. 하지만 우리나라는 뛰어난 기술력을 통해 단시간에 높은 수준에 도달했다는 평가를 받게 됐고 지난 2007년에는 ‘케이스타(KSTAR)’라는 한국형핵융합연구로를 독자개발하기도 했다. 우리나라는 현재 미국·일본·EU·러시아·중국·인도 등과 공동으로 국제핵융합시설을 연구·개발 중이다. 프랑스 남부 프로방스에 건설 중인 ‘국제핵융합실험로(ITER)’ 개발에 주축으로 참여하고 있으며 ITER의 기본 설계구조는 KSTAR와 유사하다고 전해진다. 또 어제(14일)부터 오는 18일까지 세계 핵융합전문가들이 한 자리에 모인 제12차 국제 핵융합기술심포지엄이 제주국제컨벤션센터에서 열리고 있다. 스카이데일리가 기술력 세계3위로 평가받으면서 전 세계적으로 앞서가고 있는 우리나라의 무한 청정에너지 핵융합기술과 관련 연구 진행상황 및 심포지엄 등을 종합·진단해 봤다.

 

 

 

 ▲ 선진국들에 비해 30년 이상 후발주자로 참여한 우리나라는 현재 세계 최고 수준의 핵융합발전 기술을 보유하고 있다. 전 세계 핵융합 전문가들은 어제(14일)부터 오는 18일까지 일정으로 제주도에서 국제 핵융합기술심포지엄을 열고 있는데, 이 행사만 봐도 한국의 위상이 높아진 것을 반증한다.

사진은 세계 최고의 핵융합 연구장치로 인정받고 있는 KSTAR(위 사진)와 이를 바탕으로 현재 7개국이 공동으로 개발 중인 ITER 프로젝트가 진행 중인 프랑스 남부의 현장 및 연구장치 조감도 [사진=국가핵융합연구소]

 

어제(14일) 국제 핵융합기술심포지엄이 제주국제컨벤션센터에서 개막했다. 오는 18일까지 진행될 이번 심포지엄에는 24개국 600여명의 핵융합 전문가들이 자리했다.

 

우리나라는 핵융합 기술연구에 후발주자로 참여했지만 이번 심포지엄 개최로 전 세계적 핵융합 강국임을 인정받았다는 평가와 함께 우리나라의 핵융합 기술에 대한 관심도 점차 높아지는 분위기다.

 

지난 2007년 자체개발한 한국형 핵융합연구로 ‘케이스타(KSTAR)’를 보유한 우리나라는 미국·일본·독일 등 관련분야 선진국들과 함께 공동으로 프랑스 남부지방에 ‘국제핵융합실험로(ITER)’ 개발에 주축으로 참여하고 있다.

 

 

 

KSTAR 본 뜬 ITER, 韓 연구진 중추적 역할…“대한민국 핵융합 기술 세계 선도”

 

국제 핵융합기술심포지엄은 미래 핵융합에너지 상용화를 위해 필수적인 핵융합로공학 관련 기술을 다루는 세계적 학회로 그동안 미국·일본·독일 등 핵융합 선진국을 중심으로 개최돼 왔다.

 

이번 행사에는 베르나 비고 ITER 사무총장, 모하메드 압두 캘리포니아주립대 교수, 로렌조 버질리오 보카치니 국제 핵융합기술심포지엄 상임위원회 의장 등 세계적 석학들이 자리를 빛냈다.

 

 ▲ 자료: 국가핵융합연구소 ⓒ스카이데일리

전문가들은 이번 심포지엄 개최가 우리나라가 핵융합 연구 주도국으로서 위상이 더욱 높아지는 계기가 될 것으로 내다봤다.

이번 심포지엄의 공동 주최인 미래창조과학부 관계자는 “이번 심포지엄을 계기로 우리나라의 우수한 핵융합 장치 제작 능력과 연구 역량을 알려 핵융합 연구 주도국으로서 위상을 공고히 할 계획이다”고 밝혔다. 현재 우리나라는 미국·일본·EU·러시아·중국·인도 등 7개국이 공동으로 추진 중인 ITER 사업에서 중추적인 역할을 맡고 있다.

이경수 핵융합연구소 박사가 ITER의 기술 분야 총책임자로 이름을 올린 가운데 박주식 박사, 최창호 박사 등이 각각 실험장치 조립 및 건설, 진공용기 제작 등의 핵심 분야 총괄직을 수행 중이다.

 

우리 연구진이 ITER의 중추적인 역할을 할 수 있었던 까닭은 ITER에서 제작 중인 핵융합실험로가 KSTAR와 같은 방식으로 건설되고 있기 때문이다.

KSTAR는 지난 2007년 국내 기술로 개발된 세계 최초 초전도핵융합장치다.

KSTAR는 지난해 고성능플라즈마 유지시간 45초 등을 달성하는 등 완공이후 지속적인 연구 성과를 과시하고 있어 세계를 놀라게 하고 있다.

 

바닷물 1L, 300L 휘발유 에너지 효과…0.03g 연료만으로 ‘서울-부산’ 세 번

 

핵융합 발전은 핵분열을 기본으로 하는 원자력발전과 차이가 있다. 아인슈타인의 상대성이론(E=mc²)에서 출발한 이들 두 발전 방식은 이름에서부터 알 수 있듯 분열과 융합이라는 차이가 존재한다.

 

 ▲ 자료: 국가핵융합연구소 ⓒ스카이데일리

원자력발전의 경우 우라늄이나 플루토늄 같은 무거운 물질이 상대적으로 안정화된 보다 가벼운 물질로 핵분열 반응 과정에서 발생하는 에너지를 얻게 되는 것이며, 핵융합발전은 중수소와 삼중수소와 같은 가벼운 원자핵이 서로 충돌해 헬륨이라는 보다 무거운 원자핵으로 변환되면서 발생하는 에너지를 추출하는 것이다.

 

핵융합발전은 발생하는 에너지가 원자력발전에 비해 4~5배가량 높고 또 바닷물 등을 원료로 사용해 방사능 물질이 생성되지 않고 친환경적이라는 점에서 향후 미래 에너지로 각광받는다.

 

바닷물 1L에서 추출할 수 있는 중수소는 약 0.03g 정도다. 핵융합발전을 거치면 이는 휘발유 300L에서 얻을 수 있는 에너지를 얻을 수 있게 된다. 이는 서울-부산 거리를 한 번 왕복하고 다시 한 번 갈 수 있는 에너지다.

 

중수소는 바닷물에서 추출이 가능하며, 삼중수소는 리튬을 통해서 얻을 수 있는데 리튬은 지표면과 바닷물에 약 1500만년 동안 사용할 수 있는 양이 매장돼 있어 핵융합에너지는 사실상 영구적 대체에너지라고 할 수 있다.

 

대용량·고효율 에너지를 얻을 수 있고 온실가스 발생이 제로에 가깝다는 점에서 핵융합은 높은 장점을 갖고 있지만 태양보다 높은 압력과 1억도라는 초고열을 견딜 수 있는 첨단 기술력이 필요하다는 점에서 단점을 갖고 있다. 현재 해당 연구는 일부 국가 등을 중심으로 활발히 진행되고 있으며, 전문가들은 2050년 정도가 되면 우리나라 등을 시발로 상용화에 성공할 것으로 내다보고 있다.

 

 ▲ 자료: 미래부, 국가핵융합연구소 ⓒ스카이데일리

‘토카마방식’ KSTAR 차세대 에너지 강국 꿈꾸는 대한민국…연구 예산도 해마다 늘어

 

중수소와 삼중수소를 특수전기장치를 이용해 섭씨 1억도까지 올리면 전자가 분리되고 이온화된 다량의 원자핵과 전자가 고밀도로 몰려있는 ‘플라스마’ 상태가 된다. 이 플라스마를 생산하고 이 상태를 유지하는 것이 핵융합발전의 관건이라 할 수 있다.

 

이를 유지하는 방법에 따라 핵융합발전 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

하나는 토카막 방식이며 다른 하나는 스텔러레이터 방식이다.토카막방식은 플라스마를 꽈배기 형태로 꼬기 위한 자기장을 자체적으로 만드는 방식을 일컫는다. 우리나라가 자체개발한 KSTAR가 토카마방식의 대표적인 사례라 할 수 있다. 스텔러레이터 방식은 자기장을 추가 외부 코일로 만드는 방식이며 일본의 ‘LHD’, 독일의 ‘벤델슈타인 7-X’ 등에 적용된 방식이다.

 

 

 

 ▲ 세계 최고 수준의 핵융합에너지 기술력을 바탕으로 우리나라는 미래 에너지 수출국이 될 가능성을 높히고 있다. 이미 우리나라는 관련기술의 제품 생산을 통해 수천억원의 수출효과를 거두고 있다. 이에 정부는 해마다 관련 사업의 예산을 증액하고 있는데, 내년도 예산안 중 380억원을 해당 연구분야에 책정했다. 사진은 주무부처인 미래창조과학부가 위치한 과천정부청사 ⓒ스카이데일리

우리나라는 지난 1995년 5000억원의 예산을 들여 KSTAR 설치에 착수했으며 지난 2007년 완성했다. KSTAR 개발을 위해 국가핵융합연구소, 한국원자력연구원, 한국전력, 삼성전자, 현대중공업, 대우중공업, 두산중공업 등 국책연구기관과 대기업들이 힘을 합쳤다.

 

KSTAR는 현재 세계 최고의 핵융합 연구 장치로 인정받고 있다.

ITER 프로젝트의 본보기로 KSTAR를 삼은 것도 바로 이 때문이다.김기만 국가핵융합연구소장은 중앙선데이와의 인터뷰를 통해 우리나라가 ITER 프로젝트의 주도적인 역할을 하고 있으며 다수의 연구진이 파견돼 있다고 밝힌 바 있다. 그는 “프로젝트 참여 국가 중 우리나라가 가장 최초로 납품했을 뿐만 아니라 미국이 납품한 변압기도 현대중공업이 만들었다”고 전하며 우리나라가 프로젝트 참여국 중 최고의 기술력을 자랑한다고 덧붙였다.

 

우리나라 정부도 미래 에너지 수출국의 꿈을 꾸며 관련 연구개발 예산일 해마다 높이고 있는 것으로 전해졌다. 미래부와 국가핵융합연구소 등에 따르면 우리나라의 관련 사업 예산규모는 지난해 344억원, 올해 356억원이었으며 내년에는 380억원이 책정된 상태다.

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