핵융합(核融合) 에너지

핵에너지에는 크게 핵분열(fisson)과 핵융합(fusion)으로 나뉘는데, 핵분열은 우라늄 같은 질량이 큰 물질을 쪼개서 에너지를 얻는 것이고, 핵융합은 수소와 같은 질량이 작은 물질을 융합시켜서 에너지를 얻는 것이다. 현재 상용화되어 있는 원자력발전소는 모두 핵분열 발전이다.

核融合은 수소, 헬륨 등 가벼운 원소가 충돌하여 무거운 원소로 바뀌는 반응을 말하며 태양이 열을 발하는것과 같은 이치이다. 바닷물속에 0.015%의 비율로포함된 중수소를 연료로 사용할 수 있으며 방사성 물질이 발생하지 않는 등 장점이 많으나 고온, 고밀도의 플라즈마 처리기술이 개발 단계에 있어 실용화되기 까지는 아직도 상당한 시일이 필요하다. 

중수소와 삼중수소를 1억도의 온도로 가열하면 핵융합 반응이 일어나면서 질량결손이 발생하며 결손질량 만큼의 에너지가 발생하는 것을 이용하는 것이 핵융합로이다. 그러나 중수소를 1억도로 올리는 과정이 매우 어려워 실용화하기가 쉽지 않다. 즉 지구상에는 1억도를 가둬 놓을 물질이 없기 때문에 그 대안으로 강력한 자기장을 만들어 그 안에 가둬 놓는 방법을 고안하여 실험해 왔다.

이와 같은 방식의 핵융합실험장치를 토카마크(TOKAMAK: TOroidalnaya KAmera MAgnit Katushka라는 러시아 단어에서 나온 말, 영어로는 Toroidal Chamber Magnetic Coil)라고 하며 지난 '68년 소련의 아시모비치교수 팀이 처음으로 개발하였는데 현재 세계 4대 토카마크로는 유럽공동체의 JET, 미국의 TFTR, 일본의 JT6O, 러시아의 T10M이 꼽힌다. 일본원자력연구소는 그들이 가지고 있는 중수소이용 임계 플라즈마 시험장치인 JT60을 3개월간 가동한 결과 플라즈마 전류가 100만 암페어로 고압 가열시 플라즈마의 이온온도는 2.3억도를 초과했다고 밭표하였다.

국내에서는 기초과학지원연구소 주관으로 한국과학기술원, 한국원자력연구소, 서울대, 포항공대 그리고 한국중공업, 대우중공업, 삼성과 현대중공업 등 국내 산.학.연이 총망라되어 사업을 수행하고 있다. 전문가들은 21세기 중반에 이르면 상용화가 가능할 것으로 예상하고 있다.

화석 연료의 고갈이 예상되면서 전기 출력이 100 만 kW 급인 대체에너지원이 많지 않은 가운데 현재까지 새로운 에너지원으로 가능성을 보여준 것은 원자력이라고 할 수 있다. 우라늄 원자핵이 절반정도의 원자량을 가진 가벼운 원자핵과 중성자로 분열되는 과정에서 발생하는 질량결손을 에너지로 변환하여 막대한 전력을 생산하는 것이다.

지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 만들어내는 화석연료의 사용보다는 원자력발전이 더 바람직한 에너지원이라고 할 수 있겠지만, 핵분열반응은 반감기가 10만년이 넘는 초우라늄 계열의 방사성 동위원소를 만들어 내기 때문에 이들을 안전하게 처리해야 하는 난제를 남기고 있다. 이 문제에 대해 과학자들이 인식하기 시작한 것은 오래 전 일이다. 1950년대부터 태양에서 일어나고 있는 수소의 핵융합반응을 인공적으로 발생시켜 에너지를 얻어내자는 핵융합에너지개발이 연구되기 시작한 것이다. 구체적으로 이야기하면 수소의 동위원소들인 중수소 (D : Duteron) 와 삼중수소 (T : Tritium) 가 융합하여 헬륨과 중성자로 변환하는 핵반응이나 헬륨 (⁴He) 에 비해 중성자의 수가 하나 적은 동위원소 (³He) 과 중수소를 융합시키는 핵반응 (D-³He 반응) 을 이용하는 것이다. 핵융합에너지는 연료의 고갈이 염려되지 않으며, 방사성동위원소가 포함된 폐기물을 만들어내지 않는다는 장점과 함께 적은 양의 연료로 많은 에너지를 생산할 수 있다는 장점이 있다. 화석연료와 핵분열, 핵융합 연료를 비교하여 보면 20톤의 석탄이 탈 때 발생하는 에너지를 1.5kg 의 핵분열 연료로 생성할 수 있는데, 핵융합인 경우는 60g 의 핵융합 연료로 가능하게 된다.

이러한 핵융합반응을 지구상에서 일으키기란 결코 쉬운 일이 아니다. 플러스 전기를 띤 원자핵들 사이에는 강한 전기적 척력이 작용되고 있기 때문에, 이를 극복할 만큼 초고온, 초고압 상태로 만들어 주어야 하기 때문이다. 물질의 온도를 높이면 물질을 구성하는 기본 입자들의 운동에너지가 증가한다. 고체인 경우에는 구성입자들이 높은 온도에서 더 활발한 진동운동을 하는데 온도를 계속 증가시키면 액체와 기체로 변환된다. 개개의 입자가 독립적으로 존재하는 기체의 온도를 더 높이면 원자속에 갇혀있던 전자가 분리될 정도의 에너지를 갖게 되어 전자와 이온으로 분리되어 존재하게 된다. 핵융합반응은 이와 같이 온도가 높아서 물질의 제 4 상태라고 하는 '플라즈마' 상태에서 일어나게 된다.

비교적 반응이 일어날 확률이 높은 D-T 반응도 약 1억도 이상으로 온도를 높여야만 핵융합에 의한 에너지를 발생시킬 수 있는데, 이런 고온의 플라즈마를 한정된 공간안에 가두어 놓을 수 있는 방법으로 강한 자기장의 형성을 제안하게 되었다. 플라즈마는 전기를 띤 입자들로 구성되어 있기 때문에 자기장을 따라 움직인다는 특성을 이용한 것이다. D-T 반응은 결과적으로 방사성물질을 만들 수 있는 중성자를 생성하지만, D-³He 반응은 안정된 원소인 수소와 헬륨을 만들어 내므로 깨끗한 핵융합원으로 관심이 모아지고 있는데, D-T 반응에 비해 8배 정도의 고온이 요구되므로 여기서는 앞서 기술한 자기밀폐방식과 함께 플라즈마의 경계면에서 견뎌낼 수 있는 새로운 재료의 개발이 요구된다고 할 수 있다. 현재 가장 적극적으로 핵융합연구를 진행중인 일본은 이와 같은 핵융합반응의 연료인 ³He 의 확보를 위해 달에 탐사로켓을 보낼 준비를 하고 있다고 한다. 전세계의 과학자들이 핵융합연구를 해온지 반세기가 되어가지만 아직 완성의 단계에 도달하지 못했다. 소립자를 발견하고 우주 개척을 내다볼 정도로 발달한 현대 과학기술을 생각해 볼 때 핵융합에 대해 부정적 관점을 가진 과학자가 생기는 것도 당연한 일이다.

그러나 이러한 관점은 단기적인 견해라고 할 수 있다. 유럽의 국가들이 연합하여 건설한 핵융합장치 JET (Joint European Torus) 는 1991년도에 최초로 2초 동안이지만 2천 kW 의 핵융합에너지를 발생시켰고, 1994년 미국 프린스턴 대학의 TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) 에서는 3초 동안 1만 kW 의 출력을 발생시키는데 성공했다. 이런 에너지의 발생은 핵융합로의 과학적 실증을 보여준 것이다. 이러한 핵융합로가 더욱 발전하여 태양에서 일어나는 핵융합반응처럼 스스로 지속적으로 플라즈마를 만들어야만 한다. 이를 위하여 초전도 자석과 초고온 재료의 개발이 절실히 요구된다. 이렇게 기술적 난관이 있을 뿐 아니라 대형 핵융합장치의 건설 비용이 막대하기 때문에 국제원자력기구의 주관으로 전세계가 공동으로 개발하는 국제핵융합실험로 계획인 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) 프로젝트가 수립되어 설계와 제작에 착수하게 되었다. 이러한 장기적인 계획이 예상하는 기술의 발전을 참고로 하여 앞으로의 핵융합개발계획을 살펴보면 핵융합에 투자될 과학적 연구개발자금은 점차 감소하는 반면, 공학적 연구개발자금의 투자는 급속히 증가할 추세여서 오는 2천년대 초에는 두 연구자금의 비율이 같아지고, 상업용 원자로가 실현될 2025년에는 공학적 연구개발자금이 전체를 차지할 것으로 예상된다. 이렇듯 핵융합은 단기적이고 소규모적인 연구로는 실현이 불가능한 것처럼 느껴지지만 장기적으로 바라보면 필연적으로 다가올 현실인 것이다.

토카마크(Tokamak)라 부르는 핵융합 장치에서 고온, 고밀도의 플라즈마를 발생시키기 위해, 초기의 플라즈마를 강한 유도전기를 이용하여 가열하는 방법과 강력한 전자기파를 공급하여 가열하는 방법, 그리고 외부에서 가속하여 에너지를 높인 중성입자빔을 주입시켜 가열하는 방법들이 개발되어 왔다. 이러한 기술의 개발은 플라즈마의 자기밀폐를 위한 초전도전자석과 플라즈마의 진단에서 사용하는 각종 기술의 개발과 함께 관련산업분야에도 상당한 파급효과를 가져오게 한다.

관련기술중에 대표적인 몇가지의 예를 들면 우선 ITER 를 비롯한 차세대 핵융합로의 플라즈마 밀폐용 전자석으로 사용하는 초전도 자석과 관련된 산업으로 자기부상열차, 초전도 전력저장기, 초전도 모터, 초전도 발전기, 초전도 변압기, 초전도 MHD 발전, 초전도 선박추진기 등에서 핵자기 공명장치나 하전입자가속기에 이르기까지 방대하다.

두번째로는 높은 주파수의 강력한 전자기파 발생장치가 있는데 하전입자가속기, 무선통신, 레이다, 전력이송, 원격조정 등에서 이용되어진다.

세번째로는 초강력 펄스 발생장치와 관련된 산업으로서 우주화물수송, 전자기레일, 물플라즈마가속기, 바위 파쇄, 터널 굴착 등이 있다.

이외에 고온, 고밀도 플라즈마를 이용하는 산업으로는 반도체 제조공정 중 하나인 플라즈마 식각장치에서 박막 형성, 분말 제조, 폐기물 처리에 이르기까지 일일이 다 열거할 수 없을 정도로 다양하다. 핵융합에너지개발에는 필수적인 주요 기술의 개발이 요구되고 이러한 기술개발은 관련산업에 영향을 주어 서로 도움을 주는 역학 관계로 발전하게 된다.

핵융합장치가 궁극적으로 달성해야할 목표는 경제적이고 안전한 에너지를 생산하는 것이다. 현재까지의 개발결과는 1차적 목적인 임계조건에 가까이 다가와 있음을 보여준다. 임계조건이란 핵융합을 일으키도록 투입된 에너지가 핵융합의 결과로 발생하는 에너지와 같아지게 되는 핵융합플라즈마의 조건으로 1억도 정도의 온도에서 플라즈마 밀도와 플라즈마가 유지된 시간의 곱이 10²⁰m^-3sec 정도에 이르러야 한다는 것이다. 핵융합발전을 실용화 하려면 임계조건을 넘어서 핵융합의 결과로 발생된 에너지가 스스로 핵융합을 지속시키는 점화조건에 도달하여야 한다. 이는 임계조건의 약 10배에 해당한다.


 아래에 핵융합의 원리에 대한 간단한 설명이 그림과 함께 제시되어 있다. 

 

 맨 왼쪽에 있는 것이 수소(H)이며, 중성자가 한개 있는 중수소(D)와, 중성자가 두개 있는 삼중수소(T)가 있으며, 이 D와 T가 바로 핵융합의 원료이다. 핵융합에는 DT반응, DD반응, DHe반응이 있다.

 D + T -> He(3.5Mev) + n(14.1Mev)

 D + D -> T(1) + P(3)

 D + D -> He(0.81Mev) + n(2.44Mev)

 D + He -> He(3.6Mev) + P(14.6Mev) 


 DT반응은 위의 그림에 나타나 있으며, 이런 반응을 일어났을 때 에너지가 생성되는 이유는 반응이 일어난 후에, 질량결손이라는 현상이 일어나기 때문이다. 아래의 그림을 보면, 중성자(n)와 헬륨(He)의 무게는 중수소(D)와 삼중수소(T)의 무게 보다 가볍다. 즉 질량이 그만큼 없어진 것으로 유명한 E=mc²이라는 아인슈타인의 상대성원리에 의해 없어진 질량만큼 에너지가 생기는 것이다.

D와 T의 밀도가 높을 수록 반응이 잘 일어나며, 반응 시간이 길수록 많은 에너지가 얻을 수 있다. 핵융합공학에서는 이 두 요소를 곱한 값이 어느 정도보다 크야 한다는 기준이 있다.

 이 조건을 만족시킬 수 있는 방법에는 Inertial Fusion, Thermonuclear Fusion, Cold Fusion, Muon-Catalyzed Fusion, Fusion with Polarizing Nuclear Spin 등이 있는데, Inertial Fusion이라는 것은 DT를 향해 사방에서 레이져들 쏘아서, 순간적으로 매우 높은 밀도가 되도록 하는 방법인데, 이 방법은 밀도는 높지만 반응시간이 짧다. Thermonuclear Fusion이라는 것은 DT의 온도를 높여(온도가 높다는 것은 입자의 운동에너지가 높다는 의미) 반응이 더 잘 일어나도록 하는 방법이다. 이 방법은 Inertial Fusion보다는 밀도는 작고 반응시간은 길다. 토카마크는 바로 이 방법에 해당한다.

 Thermonuclear Fusion을 실현하기 위해, 각국에서 여러 가지 장치를 고안했는데, Mirror, Stellarators, TOKAMAK 등이 그것이다. 핵융합로를 만드는 것은 돈이 매우 많이 드는 일이어서 각국의 공학자들이 모였는데, 러시아에서 고안한 도너츠 같이 생긴 TOKAMAK이 가장 성능이 좋았기 때문에, 요새는 Thermonuclear Fusion을 실현하기 위해 주로 토카마크를 도입하고 있다.

 
 핵융합이 제대로 일어나기 위해서는 온도가 1억도 정도가 되어야 하며, 온도를 1억도까지 올리는 것은 방전(discharge)이나 고주파 가열, 전기적인 가열(ohmic heating)등으로 가능하다. 그러나 이 정도의 온도가 되면 물질은 플라즈마라는 상태가 되어버리는데, 플라즈마란 고체-액체-기체 다음의 물질의 상태이다. 플라즈마 상태에서는 전자가 거의 분자로부터 분리되어 있으며, 온도가 1억도가 되는 플라즈마를 가두기 위해서는 자기장을 이용해서 플라즈마를 가두는 방법을 고안하게 되었다. 플라즈마는 전자가 분리되어 있기 때문에, 전기적인 특성도 띄기 때문에 이것이 가능하다.

 위의 그림을 보면 자석들이 복잡하게 설치되어 있는데, 이것들이 자기장을 만들어내고, 자기장이 플라즈마를 가두는 것이다. 그러나 플라즈마는 유체적인 특성, 전기적인 특성, 입자적인 특성을 함께 가지고 있어서 다루기가 매우 까다롭다. 현재까지는 플라즈마를 수 초동안 가두는 기술 수준에 머물러 있다.

 토카마크를 설계하는데에는 기계공학, 전기공학, 재료공학, 컴퓨터공학 등의 다양한 공학이 필요하다.

 토카마크에서 얻은 열에너지를 이용해서 증기를 만들고, 증기로 터빈을 돌려서 전기를 만드는 과정은 다른 발전방식들과 동일하다.