[미래에너지 이야기] 핵융합과 인공태양 가능할까?

[대물]

[미래에너지 이야기] 핵융합과 인공태양 가능할까?

Chemical/미래 에너지 이야기

      

 미래를 배경으로 하는 SF영화를 보면, 미래 에너지에 대한 상상력이 총망라돼 있는데요. 아바타처럼 다른 행성에서 에너지 자원을 약탈하는 인류의 모습이 그려지기도 하고, 어벤저스에서 나오는 미지의 행성물질은 무한에 가까운 에너지를 방출하기도 하죠.

하지만 과학에 근거하며 실제에 가장 가까운 미래 에너지의 모습도 등장하는데요. 영화 아이언맨과 설국열차에서 소개된 ‘핵융합 에너지’는 앞으로 구현될 가능성이 높은 대표적인 미래 에너지랍니다.

▲ 설국열차 핵융합 엔진 사진출처: 예고편 캡쳐

설국열차에서는 수십 년 동안 멈추지 않고 달리는 열차의 비밀로 핵융합 엔진을 다뤘죠. 아이언맨의 강한 힘과 무한에 가까운 에너지 또한 가슴에 달린 작은 핵융합 원자로 덕분에 가능하다고 나오는데요. 영화 속 핵융합 기술, 아직은 엄청나게 크지만 현실에서 구현됐다는 사실 아시나요?

▲ 태양의 핵융합 반응 사진출처: 위키페디아(http://ko.wikipedia.org/wiki)

태양계에서 별은 태양 하나뿐이라는 것을 알고 계시죠? 별은 내부의 에너지 복사로 자기 스스로 빛과 열을 내는 천체를 뜻합니다. 별이 내는 에너지의 근원은 수소의 핵융합 반응입니다. 핵융합은 1억℃ 이상의 고온에서 가벼운 원자핵이 더 무거운 원자핵으로 융합되는 과정에서 에너지가 방출되는 과정이라고 보면 됩니다.

이러한 엄청난 에너지로 수소폭탄도 만들 수 있지요. 핵융합으로 만들어진 핵연료는 인체에 유해하다고 알려진 방사능은 적으면서 거의 무한에 가까운 에너지를 만들어낸답니다.

태양의 경우 앞으로 100억년 정도 핵융합으로 지금과 같은 열과 빛 에너지를 만들어낼 수 있다고 하는데요. 그렇다면 태양과 같은 별에서 활발하게 발생하고 있는 핵융합을 이용한다면, 인류가 꿈에도 그리던 깨끗하고, 오랫동안 사용할 수 있는 엄청난 양의 에너지를 얻을 수 있지 않을까요?

▲ 물질의 상태 사진출처: 위키페디아(http://ko.wikipedia.org/wiki)

현재 핵융합 기술의 가장 큰 문제는 ‘플라즈마’입니다. 플라즈마는 고온상태에서 음전하와 양전하가 분리되어 있는 기체 상태를 말합니다. 번개, 오로라, 대기 속의 이온층 등이 플라즈마 상태랍니다. 기체라고는 하지만 고체, 액체, 기체 등에 속하지 않는 제 ‘4의 물질 상태’로 여겨지고 있답니다.

정확히는 기체에 더 높은 에너지를 가해 생기는 상태라고 이해하면 좋을 것 같네요. 플라즈마는 핵융합을 위해 절대 빠질 수 없는데, 플라즈마 상태를 유지하는 것은 정말 어려운 일이랍니다.

▲ 플라스마 램프 안에서 만들어지는 플라스마 사진출처: 위키페디아(http://ko.wikipedia.org/wiki)

매우 변덕스런 플라즈마는 원자핵과 전자가 분리돼 있다가도 다시 기체 상태로 돌아가 버립니다. 현재 과학계의 가장 큰 이슈는 최대한 플라즈마를 오랫동안 잡아두는 것입니다. 플라즈마를 오래 잡아두면 둘수록 플라즈마 상태에서 핵융합을 더욱 오래 지속할 수 있기 때문이죠.

▲ KSTAR 진공용기 내부(출처: 우리나라핵융합연구소 홈페이지 https://www.nfri.re.kr)

플라즈마를 유지하는 기술이 보전된다면, 단순히 태양빛을 활용한 에너지가 아닌, 태양에서 일어나는 수소 핵융합 현상을 도입해 태양과 같이 무한에 가까운 에너지를 방출하는 인공태양을 만들어낼 수 있을 것입니다.

우리나라에서도 일찍부터 인공태양 연구에 뛰어들었는데요. 20년 전인 1995년도에 대덕연구단지에 ‘차세대 초전도 핵융합 연구장치’를 설치하고 연구에 착수했답니다. 2007년에는 세계 최초로 플라즈마 발생에 성공하며 핵융합 강국으로 떠올랐습니다. 또 200만℃의 플라즈마를 생성해 0.2초 동안 핵융합을 유지하는데 성공했답니다.

▲ 중수소-삼중수소(D-T) 핵융합 반응은 핵융합 발전의 가장 유력한 방식으로 여겨진다

(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki)

현재 우리나라의 핵융합 연구소는 3~5메가와트 급의 가열장치로 플라즈마를 생성하고 있습니다. 엄청난 장비와 수준이지만 플라즈마를 더 오래 지속하기에는 한계가 있습니다. 또한 핵융합으로 전기를 만들기 위해서는 삼중수소를 스스로 만들어 내는 발전기술도 필요합니다. 아쉽게도 아직까지 삼중수소를 만들어내는 기술이 없다고 합니다.

삼중수소란?
1g에 2700만원을 호가하며 금보다 비싸다고 알려진 물질. 자연계에서 존재하는 보통 수소보다 중성자가 2개 더 붙어 있어 그 무게가 3배 정도 무겁다하여 3중 수소라 불린다.

삼중수소 연구를 하고 있는 나라는 전 세계에서 다섯 손가락에 꼽을 정도입니다. 현재까지 진행상황을 보더라도 삼중수소를 자동적으로 만들어내, 핵융합에 응용하는 기술은 아직 갈 길이 멀어 보입니다. 인공태양 만들기는 아직 해결해야할 숙제가 많은 것 같습니다.

인공태양에 대한 이론은 정립됐지만 사용기술이 부족한 탓에 그 향방이 묘연하다는 것을 알 수 있었는데요. 하지만 우리나라 미래창조과학부는 2014년대에 핵융합 에너지 상용화를 목표하고 있다고 밝혔습니다. 이제 25년 남짓 남았네요. 그 안에 우리가 꿈꾸는 무한에너지, 인공태양이 완성될까요? 설국열차와 아이언맨 등 영화속의 상상이 현실이 될지 정말 궁금하네요.

아직은 먼 이야기지만 만약 인공태양이 구현된다면, 깨끗하고 무한에 가까운 에너지를 얻게 되는 건데요. 인공태양과 같이 환경오염 물질이 발생하지 않으면서 무한에 가까운 에너지를 활용할 수 있게 되는 꿈이 현실이 된다면 정말 좋겠지요?

‘한화케미칼’에서도 태양광 에너지를 우리 인류가 보다 효과적으로 이용할 수 있도록 투자와 개발을 아끼지 않고 있습니다. 태양광 사업으로 삶의 가치를 높이는 기술을 발전시켜 나가는 한화케미칼을 지켜봐주세요.

원자력발전 - 핵융합원자로

우라늄 235와 같은 무거운 원소가 중성자를 받아 세슘137과 같은 가벼운 원소들의 핵과 중성자로 분리되는 현상을 핵분열 반응이라 하며 수소와 같이 가벼운 원소들이 서로 결합하여 헬륨과 같은 더 무거운 원소로 바뀌는 현상을 핵융합이라 한다.

핵융합 반응에서는 핵분열 반응 때보다 3내지 5배 더 많은 에너지가 나오는데 이를 핵융합 에너지라 하며 핵융합반응을 일으키는 장치가 바로 핵융합 원자로이다. 따라서 핵융합에너지도 원자력이다. 핵분열을 이용하는 원자로와는 달리 핵융합에서는 바닷물 속에 무진장 들어있는 중수소나 삼중수소를 연료로 사용하므로 인류의 에너지를 영원히 해결해줄 꿈의 에너지원 이라고 한다. 핵융합 연구를 위해서는 기본적으로 제4의 물질이라는 플라즈마를 생성시키는 장치가 필요하다. 이온과 전자가 동시에 존재하는 플라즈마를 밀폐, 가열시키기 위해서는 거대 초전도자석기술, 대형초고진공기술 및 대출력 고주파 가열기술등 첨단 극한기술이 요구된다. 핵융합연구는 현재 미국, 일본, 러시아, 유럽연합 등이 공동 참여하는 "국제열핵융합실험로"개발계획이 진행되고 있는데 2010년경 최초로 실험로 가동에 들어가 21세기 중반이면 상업발전이 가능할 것으로 전망한다. 우리나라는 1995년 기초과학기지연구소에 플라즈마 발생장치인 "한빛" 을 설치 우영하는 등 한국형 핵융합 원자로 개발 프로그램인 K-Star계획을 추진 중에 있다.

미국 MIT대학이 개발한 플라즈마 장치를 국내기술로 발전시킨 "한빛장치"와 생성한 플라즈마

핵융합반응

핵융합반응은비교적 가벼운 원자핵 사이에서 일어나게 되며 거의 모두가 발열반응이다. 그러나 핵융합반응을 에너지원으로 이용하려면 현실적으로 해결하여야 할 몇 가지 조건을 고려하여 선정하여야 한다.

* 첫째 반응에 이용되는 원소가 자원으로 풍부하게 존재 하여야 한다.
* 둘째로 핵융합반응이 비교적 쉽게 일어 날 수 있어야 하며
* 세째로 반응이 일어날 방출되는 에너지가 커야 한다.

이러한 관점에서 보면 가장 유력한 원소는 수소동위원소인 중수소 및 삼중수소와 헬륨-3등이 된다. 이 원소들이 일으킬 수 있는 핵융합반응과 발생 에너지는 다음과 같다.

* D + D ---> T + P + 4.03 MeV
* T + D ---> He4 + n + 17.6 MeV
* D + D ---> He3 + n + 3.2 MeV
* D + He3 ---> He4 + P + 18.34 MeV, D=중수소,T=삼중수소,P=수소

자원의 문제로서 중수소는 수소와 화학적으로 동일하기 때문에 산소와 결합하여 중수(Heavy Water, D2O)를 형성하여 바다물속에1/6500의 비율로 섞어 있다. 따라서 지구상의 물 속에 포함되어 있는 중수소를 핵융합 원자로의 연료로 이용할 경우 인류가 10억년 동안을 사용할 수 있는 에너지가 되므로 가히 무진장한 자원이라 하겠다.

3중 수소는 반감기가 12.4년인 방사성 동위원소로 천연에는 많이 존재하지 않지만 리튬에 중성자를 충돌시켜 인공적으로 생산할 수가 있다.

* 즉 Li + n ---> He + T + 4.8 MeV
* Li + n ---> He3 + T + n - 2.5 MeV

이러한 반응에 이용하는 중성자는 중수소나 삼중수소가 핵융합을 일으킬 때 발생하는 중성자를 이용할 수 있으므로 핵융합발전을 하면서 동시에 삼중수소를 생산할 수 있게 된다. 리튬은 지각에 중량비로 65ppm이 존재하고 있으며 바다물 속에도 0.17gr/㎥정도가 포함되어 있어 비교적 풍부한 자원이라 할 수 있다. 이러한 자원을 이용하여 핵융합반응을 일으킬 수 있는 반응 조건에 대해 살펴보기로 하자. 발열화학 반응에서는 반응물질을 직접 접촉시키거나 적당한 촉매를 이용하여 간단히 진행시킬 수 있지만 핵융합반응에서는 이렇게 간단하게 반응을 일으키게 할 수는 없다. 이는 반응핵들이 양으로 대전되어 있기 때문에 핵융합반응을 일으킬 수 있을 만큼 핵들을 서로 접근시키기 위해서는 이들 사이에 작용하고 있는 전기적 반발력 즉 쿨롱척력을 이길 수 있는 에너지를 주어야만 가능하기 때문이다.

따라서 핵융합반응을 일으키기 위해서는 핵들을 고속으로 가속시켜 전기적 반발력을 이기도록 하여 충돌시킬 수밖에 없다. 같은 발열반응이지만 중성자에 의한 우라늄의 핵분열 반응은 이 경우와는 아주 다르다. 핵분열반응의 경우 양전하를 띄고 있는 우라늄 핵에 중성자가 접근하더라도 중성자는 전기적으로 중성이기 때문에 둘 사이의 전기적 반발력이 없어 쉽게 충돌 할 수 있다. 오히려 중성자가 저속으로 우라늄 핵 주변을 지나갈 때 충돌의 기회가 더 커지는 특성이 있어 원자로에서는 흔히 저속중성자를 이용하고 있다.

핵융합반응에서의 방출에너지를 실제로 이용하려면 우리가 원하는 만큼의 충분한 핵반응이 일어나도록 반응율을 높여야 한다. 반응율을 높이기 위해서는 반응입자의 운동에너지가 충분히 크도록 해야 할 뿐만 아니라 연료로 사용하는 반응핵의 밀도를 높여 주어야 할 것이다. 한편 핵융합반응을 우리 가 원하는 방식으로 조절(제어핵융합 이라 한다)하기 위해서는 핵반응 물질 을 용기내에 적절히 가두어 두어야 한다. 그러나 반응핵이 수억도 이상의 고온이므로 이러한 온도를 견딜 수 있는 용기재료가 실제로는 존재하지 않을 뿐만 아니라 고온의 반응핵은 높은 운동에너지를 갖기 때문에 순식간에 외부로 빠져나가 버리게 된다. 따라서 핵융합반응이 일어날 때까지 충분한 시간 동안 용기 내에 머물러 있게 가두어 두도록 하는 특수한 방식으로 위의 문제 들을 해결하고 있다. 반응물질을 용기 내에 머물러 있게 하는 것을 밀폐라 하고 밀폐하고 있는 시간을 밀폐시간이라 한다.

핵융합 원자로

핵융합 원자로라는 말은 자칫 현실과 동떨어진 공상적인 것으로 여겨지게 된다. 핵융합 원자로에 대한 연구가 오늘의 우리에게 무엇을 줄 수 있는가 하는 의문을 정책결정자나 연구경영자 뿐만 아니라 핵융합 과학자들 까지도 종종 가지게 된다.

그것은 핵융합 원자로가 현재 운전되고 있는 핵융합 실험장치와 어떻게 다른 모습으로 나타나게 될지 알 수 없으며 핵융합 원자로 건설시기와 심지어는 그 가능성까지도 정확하게 예측할 수 없는 것이 현실이기 때문이다.

그러나 핵융합 연구의 궁극적인 목표가 핵융합 원자로 건설이라는 것을 상기한다면 핵융합 원자로 연구의 필요성도 전혀 배제할 수는 없을 것이다. 핵융합 원자로 연구는 핵융합 원자로의 설계도면 을 만들어서 건설회사에 넘기는 것과 같이 즉각 실행을 목표로 하고 있는 것이 아니라 핵융합 연구의 전반적인 개발 방향을 적절하게 조정해 주는데서 그 의의를 찾을 수 있다.

플라즈마 물리 및 기술의 개발 을 통한 점진적인 핵융합연구와 함께, 핵융합 원자로의 원활한 가동을 위해서 개발이 필수적인 공학기술들의 발굴, 실험과학자나 산업계에 핵융합 원자로수준에서의 정량적인 파라미터 제시, 가격이 높거나 장시간의 개발이 필요한 부품 또는 기술의 선정, 핵융합 원자로의 안전성과 경제성 을 확보하기 위의 연구과제 설정 등의 핵융합 원자로 연구가 병행될 때 핵융합 연구가 더욱 현실적인 감각으로 수행될 수 있게 되며 핵융합 연구에 대한 막대한 투자도 신빙성 있는 자료에 근거를 둘 수 있게 될 것이다. 현재 논의되고 있는 핵융합 원자로의 구조와 기능은 가동중에 있는 대형 핵융합실험장치와 유사한 것, 현 기술수준의 연장선에서 예측 가능한 것, 또 지금은 전혀 사용하지 않거나 당분간은 사용될 가능성이 없지 만 장래에는 반드시 개발되어야할 것 등으로 혼합되어 있다.

핵융합 원자로를 개념적으로 분류하자면 거론되고 있는 플라즈마 밀폐방식 만큼이나 많다. 또 동작형태가 정상이냐 비정상이냐에 따라서도 구분될 수 있으며, 아직도 긴 개발과정을 거쳐야하는 지금의 입장에 서는 핵융합 원자로의 건조목적에 따라 과학적 실증로, 공학실험로, 원형로 및 상용로 등으로도 구분될 수 있다. 같은 방식의 핵융합 원자로에서도 사용되는 연료에 따라 장치구조가 바뀌어 질 수 있다. 자연적으로 존재하지 않는 삼중수소를 자체생산하기 위한 설비가 추가로 설치되어 야 하는 단점에도 불구하고 D-T연료는 점화온도가 낮고 반응율이 높아서 1세대 핵융합 원자로의 연료로서 가장 유망 시 되고 있다.

 

[미소천사]

좋은 정보 감사드립니다
행복한 시간되세요