[사이언스타임즈] 핵융합은 왜 꿈의 에너지인가?

[Dr. Park]

몇 달 전에 우리나라의 핵융합 연구 장치인 케이스타(KSTAR)가 세계 최초로 섭씨 1억 도의 초고온 플라스마(Plasma)를 1.5초 간 유지하는 데 성공했다는 소식이 있었다.

세계 각국이 핵융합 에너지 연구에 힘쓰는 가운데 이번 성공으로 우리나라의 핵융합 에너지 연구가 다른 나라보다 한발 앞서 나가게 되었다.

핵융합 에너지는 인류의 에너지 부족 문제를 한 번에 해결할 수 있는 꿈의 에너지로, 태양의 에너지이기도 하다.

핵융합 에너지란 무엇인가?

물질을 구성하는 원자는 그 중심에 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 돌고 있다. 그런데 초고온에서는 원자핵과 전자가 분리되는 플라스마 상태가 된다. 플라스마 상태의 가벼운 원자핵들은 고속으로 나아가다가 서로 충돌하여 합해지면서 무거운 원자핵으로 변하는데, 이것을 핵융합 반응이라고 한다.

충돌하기 전 두 원자핵을 합친 질량보다 생성된 원자핵의 질량이 더 작다. 이때 사라진 질량은 에너지로 바뀌는데, 질량과 에너지 사이의 관계를 나타내는 아인슈타인 특수 상대성 이론의 공식 ‘E=mc²(E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도)’에 따라 막대한 에너지가 발생한다.

빛의 속도는 대략 3억 m/s이기 때문에 만약 50원짜리 동전 한 개 정도의 질량인 4g이 모두 에너지로 변한다면, 공식에 따라 E=0.004kg×(3억 m/s)2가 되고, 발생하는 에너지는 36×1010kJ이 된다. 이 에너지는 한 가구당 평균 전력 소비량이 5000kWh라고 할 때 인구 8만 명의 도시가 1년 동안 사용할 수 있는 전기 에너지와 맞먹는다.

질량과 에너지 사이의 관계를 나타내는 아인슈타인 특수 상대성 이론의 공식 ⓒ윤상석

태양과 같은 별들이 빛을 내는 이유도 핵융합 에너지 덕분이다.

태양은 대부분이 가장 가벼운 원소인 수소로 이루어졌으며, 그 중심부는 약 1500만 도가 넘는 높은 온도이기 때문에 원자핵과 전자가 분리된 플라스마 상태이다. 그래서 태양 중심부에서는 수소 원자핵이 다른 수소 원자핵과 결합하여 헬륨 원자핵으로 변하는 핵융합 반응이 일어난다.

이 핵융합 반응에서 막대한 에너지가 생기는데, 이것이 수십억 년 동안 계속해서 빛을 내는 태양의 에너지원이다.

핵융합 과정 ⓒ윤상석

핵융합 발전은 어떻게 이루어지나?

태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서도 일으키려면 태양보다 훨씬 더 높은 온도인 1억 도가 필요하다. 태양의 중심은 강한 중력으로 압축되어 있어서 원자들의 밀도가 높아 1500만 도의 온도에서도 원자들이 쉽게 충돌하지만, 지구는 그런 환경이 아니기 때문이다.

결국 핵융합 발전소를 세우려면 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라스마를 만들어야 하고 이 플라스마를 담는 그릇도 필요하다. 그런데 1억 도의 온도를 견딜 수 있는 물질은 지구상에 존재하지 않는다. 그래서 진공 용기 안에 초고온의 플라스마를 넣고 자기력으로 떠오르게 해서 벽에 닿지 않게 가두는 기술이 개발되었다.

핵융합 발전소의 핵융합이 일어나는 곳은 거대한 전자석에 둘러싸인 도넛처럼 생긴 장치이다. 진공 상태인 이 장치 안에 핵융합 연료인 중수소와 삼중수소를 넣고 온도를 높이면 플라스마 상태가 된다.

이 플라스마는 전자석에서 발생된 자기력선 덕분에 용기 벽에 직접 닿지 않고 장치 안을 돌게 된다. 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소는 온도가 1억 도에 이르면 서로 충돌하여 핵융합 반응을 일으킨다. 그리고 핵융합 반응에서 생긴 에너지로 물을 끓여 수증기를 만들고 이 수증기로 발전기를 돌려 전기를 만든다.

핵융합 발전소 구조 ⓒ윤상석

인공 태양이라고 할 수 있는 핵융합 발전을 상용화하기 위해서는 앞으로 더 많은 연구와 시간이 필요한데, 과학자들은 2050년경이면 핵융합 에너지의 상용화가 가능하다고 내다보고 있다.

핵융합 에너지는 왜 꿈의 에너지인가?

핵융합의 연료는 중수소와 삼중수소인데, 중수소는 바닷물을 전기분해해서 얻을 수 있고, 삼중수소는 핵융합로에서 리튬과 중성자를 반응시켜 만들 수 있다. 리튬은 바닷물에 약 2300억 톤이 녹아 있을 정도로 매장량이 풍부하기 때문에 핵융합의 연료는 고갈될 염려가 없다.

또한 핵융합 발전은 방사능 폐기물이 거의 없으며 온실가스와 공해 물질도 발생시키지 않는다. 그리고 핵융합로에 이상이 생기면 플라스마가 스스로 식어 핵융합 반응이 멈추도록 설계되어 있기 때문에 매우 안전하다.

게다가 핵융합 발전은 같은 양의 원료로 원자력 발전보다 7배 이상의 에너지를 생산할 수 있다. 이런 장점들이 있기 때문에 핵융합 에너지를 흔히 ‘꿈의 에너지’, 또는 ‘미래의 에너지’라고 부른다.