핵융합 에너지, "에너지 위기 돌파할 '희망'"

[아시아경제 김수진 기자] 핵융합 연구개발 분야의 전문가들이 모이는 대형 행사 '제 23회 국제원자력기구 핵융합에너지 컨퍼런스(IAEA FEC 2010)'이 대전에서 11일부터 16일까지 열린다. 핵융합 에너지 개발 성과를 한 자리에 모으는 행사가 개최되며, 핵융합 에너지는 에너지 고갈과 환경파괴 문제를 해결할 '꿈의 에너지'로 재차 주목받고 있다.

▲지구에 '태양'을 만든다

핵융합에너지의 좋은 사례는 바로 태양이다. 태양과 같은 별의 중심은 1억도 이상의 초고온 플라즈마 상태. 플라즈마는 고체나 액체, 기체가 아닌 '제4의 물질상태'로 원자핵과 전자가 분리된 자유로운 형태다. 플라즈마 상태에서는 수소처럼 가벼운 원자핵들이 융합해 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 일어나는데, 이 때 방출되는 엄청난 양의 에너지가 핵융합에너지다.

지구에서 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치가 필요하다. 수억도의 플라즈마 상태에서 수소원자핵들을 융합시켜 핵융합에너지를 이끌어내야 하기 때문이다. 이처럼 태양과 같은 환경을 만들어야 하는 원리 때문에 핵융합장치는 '인공태양'이라고도 불린다.

핵융합 에너지는 바닷물에 풍부한 중수소와 지표면에서 쉽게 추출할 수 있는 리튬을 원료로 하기 때문에 자원이 고갈될 걱정이 없다. 또한 핵융합연료 1그램으로 석유 8톤에 해당하는 에너지를 생산할 수 있어 효율성이 높고, 발전 과정에서 이산화탄소가 나오지 않는다는 것이 장점이다. 자원고갈과 환경오염 등 석탄이나 석유, 가스 등 기존 에너지들이 직면하고 있는 위기를 돌파할 수 있는 방법인 셈이다. 또한 중·저준위 핵폐기물이 일부 발생하지만 원자력발전에 비해 위험하지 않으며 폐기물을 재활용할 수 있어 유리하다는 설명이다.

IAEA FEC 2010에 참석한 모토지마 오사무 ITER 사무총장. 모토지마 사무총장은 핵융합에너지 실현 시점을 묻는 질문에 "30년 내 가능할 것"이라는 입장을 밝혔다.

▲30년 내 국내에도 핵융합 발전소가

우리나라가 핵융합에너지 개발에 본격적으로 뛰어든 것은 1995년이다. 이 때 '국가핵융합연구개발기본계획'이 수립돼 차세대초전도핵융합연구장치 'KSTAR'가 건설되기 시작했다. 약 12년간의 건설 기간을 거쳐 2007년 완공된 KSTAR는 도넛 모양의 진공용기 속에서 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 안정적 상태를 유지하도록 하는 '토카막(Tokamak)방식의 핵융합연구장치로 2008년 플라즈마를 발생시키는 데 성공하며 본격적 운영단계에 들어갔다.

특히 이번 IAEA FEC에서는 KSTAR의 성능 향상 작업과 3차 핵융합 플라즈마 실험 결과 등이 발표됐다. KSTAR를 활용한 공동연구에 참여하고 있는 한양대 원자력공학과 김용균 교수팀은 "KSTAR 진공용기 안에서 강력한 중수소 핵융합 반응이 최초로 이뤄진 것을 확인했다"고 밝혔으며, 권면 국가핵융합연구소 선임단장은 "KSTAR는 고온 플라즈마 발생과 중수소 핵융합 반응에 의한 중성자 검출, 500킬로암페어(kA) 플라즈마 전류 달성 등 올해 목표했던 대부분의 성과를 달성했다"고 말했다.

한편 우리나라는 미국, 일본, 러시아, 중국, 인도, 중국, EU등 7개국이 공동으로 세계 최대의 핵융합발전실험로를 짓는 국제핵융합실험로(ITER)공동개발 사업에도 참여중이다. 2019년 완공을 목표로 프랑스 카다라쉬에 건설되고 있는 ITER는 핵융합에너지가 실용화단계로 접어드는 첫걸음이다. ITER에서의 핵융합발전의 원리를 검증한 뒤 실증로를 지어 핵융합에너지의 경제성, 안전성을 점검, 이후 핵융합을 통해 전기 에너지를 생산하는 본격적 상용화 단계로 들어가는 것이다.

우리나라는 ITER를 통해 핵융합발전 기술을 도입하고 2040년부터 핵융합발전소로 전력 수요를 대체, 2070년대까지 국내 전력수요의 30% 이상을 핵융합발전으로 충당한다는 계획이다. 이와 관련해 모토지마 오사무 ITER 사무총장은 "2027년부터 본격적 핵융합 반응이 실현될 것"이라며 "한국 역시 30년 안에 핵융합 발전소를 건설할 수 있을 것으로 본다"고 말했다.

또한 베르너 부카트 IAEA 사무차장은 "핵융합에너지를 실제 사용할 수 있는 전기형태로 상용화하기까지 몇 단계가 남아 있으나 최근 많은 진전이 이뤄지고 있다"며 "2100년까지 세계 인구가 100억으로 증가한다는데 화석연료는 점점 고갈되고 있어 핵융합에너지에 많은 투자를 할 필요가 있다"고 강조했다.

김수진 기자 sjkim@