2020년 3월 16일, 국가 핵융합연구소에서 KSTAR를 1억℃ 플라즈마를 8초간 유지했다는 소식이 들려왔다. 위 사진은 KSTAR로 Korea Superconducting Tokamak Advanced Research의 약어이며 핵융합연구가 가능한 토카막형 실험로이다. 그렇다면 핵융합은 무엇일까. 핵융합(Nuclear fusion)이란 초고온 상태에서 굉장히 높은 에너지를 가진 원자핵들이 서로 충돌하여 융합해 더 무거운 원자핵이 되는 과정을 의미한다. 높은 온도에서는 기체 원자가 전자와 원자핵으로 분해되는 플라즈마 상태가 가능한데, 이때 충돌하여 발생하는 중성미자, 전자, 양전자들이 에너지로 변환된다. 핵융합이 일어나기 위한 조건은 원자가 매우 큰 운동 에너지를 가져야 한다. 때문에 인공적으로 핵융합을 일으킬 때는 가장 가벼운 수소 원자를 사용하며 우주에서도 철보다 무거운 원소들은 핵융합이 거의 일어나지 않는다. 우리가 매일 보는 태양을 핵융합이 일어나는 대표적인 장소라 볼 수 있는데 핵융합이 일어나는 중심부의 온도는 1500만℃, 압력은 1000억 기압 정도로 극단적인 조건을 가지고 있다. (핵융합을 일으키기 때문에 KSTAR 같은 핵융합 연구 장치를 인공 태양이라 부르기도 한다.) 따라서 KSTAR의 내부도 핵융합을 일으키기 위해서는 굉장히 높은 온도를 가질 수 밖에 없었다.
인공 태양을 왜 만드는 걸까?
인공 태양을 만드려면 여러 기술과 극한의 환경을 제어할 수 있어야 하는데 굳이 만들어야할까. 결론적으로는 핵융합이 일어날 때 나오는 에너지를 이용하기 위함이다. 하지만 인공 태양은 전세계에서 사용되는 에너지원과 다르게 ‘꿈의 에너지원“라 불린다. 인공태양이 꿈의 에너지원이라 불리는 이유를 알아보자.
1. 무한대의 자원과 에너지
인공태양 안에서 핵융합을 일으키기 위해서는 중수소와 삼중수소를 사용하는 데 중수소는 바닷속에 매우 풍부하고 우리가 쓰는 노트북, 휴대폰 안에서도 찾을 수 있는 리튬으로 삼중수소를 만들 수 있다. 우리나라의 경우에는 삼면이 바다이기 때문에 굉장히 유리한 방식이라 볼 수 있다. 따라서 중수소와 삼중수소는 지구에서 거의 무한하게 만들 수 있다. 또한 핵융합의 재료 1g이 생산하는 에너지양과 석유 8t이 생산할 수 있는 에너지양이 같을 정도로 에너지 효율이 굉장히 높다.
2. 친환경적이고 안전한 방식
현재 전세계적으로 이용하고 있는 원자력 발전소는 핵융합과 정반대의 반응이라 할 수 있는 핵분열 반응을 이용한다. 후쿠시마 원전사고, 체르노빌 원전사고에서 알 수 있듯이 방사능의 피해가 굉장히 크고 심각하다. 이는 핵분열할 때에 방사능이 나오기 때문인데 핵융합 과정에서는 방사능이 나오지 않는다. 또한 우리가 흔히 아는 수소폭탄도 핵융합을 사용하지만 인공태양과는 조금 다르다. 수소 폭탄은 핵융합 연쇄반응을 시켜 큰 폭팔력을 얻을 수 있지만 인공태양은 재료를 조금씩 넣어주어 부족할 때 보충하는 방식으로 되기 때문에 강한 힘을 못 얻을뿐더러 설령 원자로에 손상을 입더라도 핵융합로 안의 에너지가 빛으로 변할 뿐 다른 원자력 발전소의 사고처럼 폭팔하거나 방사능이 나오지 않는다. 그리고 온실가스도 발생하지 않고 폐기물도 재활용 가능한 물질들이기 때문에 친환경 에너지로 각광받고 있다.
어떻게 만드는 걸까?
우리나라의 KSTAR는 미국, 일본, 유럽 등이 이전에 인공태양을 만들었던 방식과는 다른 방식을 사용한다. 핵융합을 하기 위해 플라즈마 상태를 만들어야 한다 했는데 가열하는 방식이 전자레인지와 같다. 전자레인지는 마이크로파를 쏘아 물을 진동시켜 음식을 가열하고 KSTAR는 중수소와 삼중수소에게 마이크로파를 쏘아 진동시켜 온도를 높여 플라즈마 상태를 만든다. 플라즈마 상태는 매우 높은 온도 때문에 불안정한데 이 플라즈마를 안전하게 보관하기 위해 토카막이라는 구조를 사용한다. 토카막은 도넛형의 진공 터널이라 볼 수 있는데 토카막을 뒤감는 자기장을 발생시켜 플라즈마를 벽에 닿지 않고 내부에만 존재하게 한다. 자기장을 발생시켜 플라즈마를 닿지 않게 하는 것, 마이크로파를 이용해 플라즈마를 만드는 것, 불안정한 플라즈마 상태를 유지하는 것이 핵심 기술이며 에너지로 사용하기 위해 유지시간을 늘리는 것이 관건이다.
우리나라는 국제핵융합로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 건설 프로젝트에 참여한 국가 중 하나이다. 기본적으로 KSTAR의 구조를 기반으로 한다고 한다. 또한 KSTAR는 1억℃를 8초간 유지하며 우리나라는 인공태양 부분에서 세계 정상을 달리고 있다. 앞서 말했듯이 인공태양은 기술적인 어려움이 많은 단점을 가지고 있다. 과학적으로 1억℃ 300초 이상 유지할 수 있으면 에너지원으로 쓸 수 있다고 한다. 하루 빨리 기술이 발전하여 인공태양이 상용화되어 ’꿈의 에너지‘를 가졌으면 하는 바램이다.
김태현 학생기자│Physics│지식더하기
참고자료
[1] https://www.youtube.com/
[2] https://google.com
첨부 이미지 출처
[1] https://google.com
