석유,석탄과 같은 화석연료자원은 한정돼 있는데 인류는 어떤 에너지원으로 미래를 살아갈 것인가.또 지구환경을 심각하게 위협하는 화석연료로부터 자유로울 수는 없을까.
유가 급등으로 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 기초과학지원연구소와 유럽원자력공동체(EURATOM)가 16일부터 25일까지 서울 포크코센터에서 ‘유러피안 퓨전(핵융합)엑스포’를 공동 개최해 눈길을 끈다.
태양에너지와 같이 재생 가능한 에너지원들은 미래 에너지로서의 잠재력은 높지만 제약 조건이 많아 사용이 어렵다는 게 단점.반면 핵융합은 수천년 동안 에너지를 공급할 수 있다는 장점이 있다．주원료가 풍부해 쉽게 구할 수 있으며,무엇보다 안전성과 환경친화성을 가지고 있다．유럽을 중심으로 선진국들이 인공태양으로 불리는 핵융합 연구에 매달리는 이유가 바로 여기에 있다．
◇핵융합 에너지=중수소(D),삼중수소(T)등 수소의 동위원소들처럼 가벼운 원소의 핵이 1억도 이상의 초고온 상태에서 서로 결합해 헬륨(He)과 같은 무거운 원소의 핵을 형성할 때 질량결손에 의해 생기는 열이다．핵융합 반응을 연쇄적으로 일으켜 폭발에 이르게 하면 수소폭탄이고 이를 제어해 에너지화 하는 것이 핵융합발전이다．
중수소와 삼중수소는 핵융합이 실현될 때 1g이 석유 6000ℓ 또는 ‘우라늄235’ 300g과 맞먹는 열량을 낸다．핵융합은 바닷물 1000ℓ에 30g이 들어 있는 중수소를 원료로 이용할 수 있어 연료가 풍부하고 방사성 폐기물이 발생하지 않는 장점이 있다．그러나 실용화까지는 아직 상당한 시일이 필요하다．핵융합이 일어나기 위해서는 중수소와 삼중수소를 섭씨 1억도까지 가열해야 하지만 이를 견딜 수 있는 핵융합로를 만들기가 어렵기 때문이다．
핵융합은 플라즈마 상태에서 일어나는데,플라즈마는 공기보다 10만배 정도 밀도가 낮아 다른 물질에 닿자 마자 식어버리기 때문에 핵융합 장치의 핵심은 고온의 플라즈마를 어떻게 오래 붙잡아 두느냐 하는 데 있다．플라즈마는 기체를 높은 온도로 가열해 원자핵으로부터 전자가 완전히 분리된 이온화된 가스로,고체 및 액체,기체와 구분해 제4의 물질로 불리며 우주의 99% 이상이 플라즈마 상태로 존재한다．
플라즈마를 구성하는 이온과 전자가 자장 주위를 나선형으로 도는 특성을 살린 도넛 모양의 자기밀폐장치가 토카막으로,플라즈마 유지시간을 수백초 이상으로 늘리기 위해 토카막을 100% 초전도자석으로 제작하는 연구가 진행중이다．
◇개발현황=핵융합 발전은 바닷물 1ℓ로 300ℓ의 휘발유와 동일한 에너지를 생산하면서도 원자력발전소와 달리 방사성 물질이 전혀 나오지 않아 20세기 중반부터 미래 에너지 기술로 주목을 받아왔다．정부는 지난 96년 기초과학지원연구소에 핵융합 연구개발사업단(단장 이경수 박사)을 구성해 연구작업에 들어갔다．사업단의 목표는 2003년 말까지 세계 최초로 100% 초전도자석으로 된 핵융합장치인 토카막을 완성하는 것이다．
이를 위해 지난 97년부터 695억원의 사업비를 들여 대덕연구단지내 기초과학지원연구소에 연건평 6860평,높이 30m의 핵융합 특수실험동을 짓고 있다．이 실험동은 2002년 완공돼 가동에 들어갈 예정이며,이르면 2004년 6월 태양처럼 핵융합을 통해 플라즈마를 생산할 예정이다．
현재 주요 핵융합 실험장치는 일본의 ‘JT-60U 토카막’,유럽연합의 ‘JET’,독일의 ‘ASDEX-U’,미국의 ‘D3-D’ 등이다．이 가운데 가장 앞선 것은 영국에 있는 JET로,지난 97년 1초 동안 17㎿의 열출력을 내는데 성공했다．
그러나 핵융합장치의 성공 여부는 고온의 플라즈마를 얼마나 오래 잘 가두느냐에 달려 있다．지금까지의 장치는 전자석과 초전도자석이 혼합돼 1억도가 넘는 온도를 장시간 견딜 수 없었다．기초과학지원연구소의 특수실험동에 설치될 ‘차세대 초전도 핵융합 연구장치’(KSTAR)는 플라즈마 밀폐장치를 초전도자석으로 만들어 3억도 이상의 플라즈마가 300초 동안 지속될 수 있도록 설계됐다．
현재 미국과 유럽연합,일본,러시아 등 핵융합 연구 선진국들은 100만㎾ 이상의 핵융합 에너지가 500초 동안 지속되는 초대형 토카막 핵융합 장치(ITER)를 2012년 가동키 위해 공동으로 연구를 진행중이다．이들 나라는 공동연구를 바탕으로 2025년쯤 핵융합 발전 상용화를 위한 발전로를 건설,본격적인 행융합 발전시대를 열 계획이다．
이경수 단장은 “현재 세계 3대 핵융합 장치로 일컬어지는 미국과 유럽연합,일본의 토카막이 2006년이면 수명이 다할 것으로 예상돼 세계 최고수준의 KSTAR에 거는 기대가 크다”며 “KSTAR가 성공적으로 가동되면 우리나라도 선진국들과 함께 ITER 계획에 참여,핵융합 발전장치를 국내 기술로 건설할 수 있는 길이 열리게 될 것”이라고 말했다．
/김남응기자 kimnamy@kmib.co.kr
