인공 태양, 1억도 30초간 유지… 세계 핵융합 연구 선도

[연구 현장 Zoom-in] 한국핵융합에너지연구원

대전 한국핵융합에너지연구원에 있는 핵융합 실증로 ‘KSTAR’. KSTAR는 초고온 플라스마 온도(1억도)를 30초 유지하며 세계 최고 기록을 세웠다. /한국핵융합에너지연구원

미국 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)는 지난 13일(현지 시각) ‘국립점화시설(NIF)’ 핵융합 반응 실험에서 2.05메가줄(MJ·줄은 에너지의 국제표준 단위)을 투입해 3.15MJ을 얻는 데 성공했다고 발표했다. ‘인공(人工) 태양’으로 불리는 핵융합 발전을 통해 투입한 에너지보다 더 많은 에너지를 얻는 데 처음으로 성공한 것이다. LLNL 연구진은 중수소와 삼중수소가 담긴 아주 작은 용기에 거대 레이저 192개를 쏴 핵융합을 일으켰다. 이번에 생산한 1.1MJ은 주전자의 물을 끓일 정도로 아주 작은 양의 에너지이지만 핵융합 발전의 가능성을 확인한 것으로 과학계는 보고 있다.

꿈의 에너지 핵융합 발전이 현실로 점차 다가오고 있다. 국내에서는 한국핵융합에너지연구원이 인공 태양 구현을 위한 기술을 개발하고 있다. 이번 LLNL 레이저 방식과는 조금 다른 자기장을 이용한 방식이지만, 세계적으로 핵융합 연구를 선도하고 있다. 유석재 핵융합연 원장은 “핵융합 연료를 모아두는 기술에서 한국은 미국 LLNL에 필적할 성과를 내고 있다”고 말했다.

◇1억도 30초 이상 유지 성공

핵융합 발전은 태양과 유사한 원리를 이용한다. 중수소와 삼중수소가 융합하면서 헬륨으로 바뀔 때 나오는 중성자의 에너지를 활용한다. 이때 나오는 고온의 열에너지로 증기를 만들어 전기를 생산할 수 있다. 탄소를 발생시키지 않고, 연료인 중수소는 바닷물에서 얻을 수 있어 ‘무한 청정에너지’로 불린다. 다만 초고온·고밀도의 환경에서 자연스럽게 핵융합 반응이 일어나는 태양과 달리 지구에서는 1억도 이상의 초고온으로 가열·유지하는 기술이 필요하다.

핵융합연에는 핵융합 실증로 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)가 있다. 지난 19일 방문한 대전 핵융합연에는 높이와 너비가 각각 10m인 KSTAR와 그 주변의 핵융합에 필요한 시설들이 놓여 있었다. KSTAR는 태양 중심보다 더 뜨거운 초고온의 플라스마를 가두기 위해 강력한 자기장을 이용하는 토카막 방식이다. 플라스마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 상태다. 이 뜨거운 플라스마를 용기에 띄워 가둬놓기 위해 초전도자석을 이용한다.

토카막 핵융합 방식에서 한국은 선두주자다. 핵융합을 장작을 때는 것에 비유하자면, 미 LLNL의 성과는 불을 붙이는 것으로 볼 수 있다. 반면 핵융합연은 연료인 장작을 모아두는 기술을 연구하고 있다. 즉 중수소와 삼중수소로 만든 플라스마를 장시간 유지 제어하는 기술이다. 핵융합연은 2018년 핵융합 플라스마 이온 온도 1억도 도달에 성공한 이후 매년 유지 시간을 늘려왔다. 2020년 20초 연속 운전에 성공한 데 이어 지난해 유지 시간 30초를 돌파했다. 세계 최고 기록이다. 물리학계에서는 플라스마를 100초 정도 유지하면 계속 운전이 가능하다고 보고 있다. 김웅채 핵융합연 고성능플라스마연구부장은 “2026년 1억도 초고온 플라스마 유지 300초를 달성하는 것이 목표다”라고 말했다.

◇7국 공동 연구 국제핵융합실험로 참여

전 세계적인 공동 연구도 진행 중이다. 프랑스 남부에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)는 KSTAR의 25배 규모로, 한국을 포함해 미국, 유럽 등 7국이 참여하고 있다. 2025년 완공이 목표다. ITER에서는 불이 붙은 장작이 스스로 타게 하는 기술을 연구할 계획이다. 핵융합 연쇄 반응이다. 핵융합 반응이 계속되려면 고열이 유지돼야 한다. 중수소와 삼중수소의 핵융합으로 만들어진 헬륨이 다시 중수소와 삼중수소를 가열하는 연쇄반응이 필요한 것이다.

이 밖에도 핵융합 상용화를 위해서는 진공용기 내에 연료를 공급하는 기술도 필요하다. 진공 용기 내 리튬층에 핵융합 반응으로 일어난 중성자가 반응하면 삼중수소가 만들어지고, 이것이 플라스마 핵융합 반응의 연료로 다시 쓰이는 원리다.

유석재 원장은 “핵융합을 증폭하는 기술과 지속하는 기술이 모두 갖춰져야 에너지원으로 쓸 수 있다”며 “실험적으로 모두 검증이 되면 상업용 발전소 건설이 급증하는 변곡점이 올 것”이라고 말했다.