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1kg의 연료로 1000만 화석연료와 맞먹는 에너지를 생산할 수 있는 인공태양 기술을 우리나라에서 발전시키고 있습니다. 기존에 플로토늄이나 우라늄 등 원자번호 끝에 있는 무거운 원소를 쪼개(핵분열)서 원자력을 내는 발전과는 다른 가벼운 원자 즉, 중수소나 삼중수소 등 가벼운 원소의 원소핵들이 결합할 때 에너지를 방출하는 방식이 태양이 열을 내는 방식과 유사하다 하여 '인공태양'이라고 불립니다.
1. 인공태양 원리와 원자력 발전의 차이
현재 우리가 잘 알고 있는 원자력 에너지의 원리는 물체를 구성하는 최소 단위인 원자를 쪼갤 수 있다는 발견에서부터 시작됩니다. 최근 상영된 영화 오펜하이머에서도 볼 수 있듯이 최초에 원자력은 원자를 쪼갤 때 엄청난 에너지가 나온다는 사실을 과학자들이 발견하고 당시 2차 세계대중 미국과 독일의 전쟁 승패가 달린 폭탄 만들기 경쟁에서부터 시작됩니다. 전쟁이 종식되고 이 에너지를 사용하여 기존에 사용하던 화석연료의 대체에너로 사용할 수 있는 방법을 찾았는데, 쉽게 설명하자면 핵분열 시 발생하는 열에너지로 물을 끓이고 물이 끓을 때 액체가 기체(수증기)로 변하면서 1700배의 부피팽창을 하게 되는데 이때 발생하는 물리력으로 터빈을 돌려 전기를 만드는 방식입니다. 장점으로는 온실가스의 배출량을 줄여 환경호염 문제 해결에 도움을 줄 수 있지만, 핵분열에서 나오는 방사능 사고의 위험성과 핵폐기물 처리의 문제가 있습니다. 지금 주력으로 사용하고 있는 화석에너지는 결국 고갈될 것이고, 수력, 풍력 등 에너지들은 자본대비 에너지 공급효율이 떨어지는 상황입니다. 때문에 방사능 오염이 없고 온실가스로부터 자유로운 대체에너지로 태양이 떠오르고 있는 것입니다. 태양이 오랜 시간공안 계속해서 에너지를 끊임없이 우리에게 보내주는 이유는 서로 다른 핵들이 합쳐지면서 계속 에너지를 발생시키는 핵융합 방식이기 때문입니다. 핵분열과는 달리 핵융합 시에는 방사능과 같은 다른 유해한 물질이 발생하기 때문에 안전하고 당연히 환경오염 문제도 해결할 수 있습니다. 우리나라도 한국핵융합 연구원 KSTAR(대전 대덕구 소재)에서 인공태양 에너지 연구를 진행하고 있습니다.
2. 한국의 인공태양 기술
핵융합 반응이 일어나려면 온도 1억 도 이상의 초고온 상태의 플라스마상태(원자핵과 전자가 불리된 이온상태)가 필요합니다. 실제로 태양은 자체질량이 워낙 크기 때문에(무겁기 때문에) 중력을 발생시키고 스스로 플라즈마 상태를 만들지만 지구에서 1억도의 초고온 플라즈마 상태를 인위적으로 만드는 것은 당연히 어려운 일입니다. 이에 각국에서 연구에 박차를 가하고 있는 것입니다. 지난해 7월 10일~ 14일 영국 옥스퍼드에서 열린 SOFE2023(핵융합공학학회)에 26개국 700명이 참석해서 긍정적인 진행상황을 교류하기도 했습니다.
한국은 자체 초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 자체 구축하여 1억 도가 넘는 초고온 플라스마 운전을 20초에 성공하더니 곳이어 30초 유지에도 성공했습니다. 이 기록은 어느나라도 넘지 못한 세계 신기록입니다. 때문에 국제핵융합실험로(ITER) 구축을 다른 나라(구국, EU, 러시아, 인도, 중국, 인도)들을 진두지휘하고 있는 상황입니다. 2026년에 300초 달성을 목표로 진행하고 있는데, 300초를 확보한다는 것은 24시간 운전을 할 수 있는 기술을 확보했다는 뜻으로 이 또한 무리가 없을 예정입니다. 이제 정부도 핵심기술 확보, 핵심부품 국내 조달 등을 고려해 국내에 핵융합에너지 실증로 건설을 위해 유치 지역을 선정하고 있는데 현재 전라남도 나주가 유력한 상황으로 보입니다. 이유는 22년 개교한 한국에너지공대와 광주과학기술원, 전남대 등 고급인재 확보에 유리한 점이 있고, 20여 년간 진도 3.0 이상 지진이 단 한건도 없었다는 지질 안정성 측면과, 저렴한 부지 매입비, 고속철도 및 공항과의 접근성 등 경쟁력이 있다고 보입니다.
3. 인공태양 상용화 가능한가?
인공태양 상용화는 인류의 미래의 자원고갈과 환경오염 문제를 해결할 중요한 과제입니다. 상용화를 하기 위해서 필요한 여러 가지 조건들을 만족해야 비로소 가능할 것으로 보이는데, 최대 전기출력이 500 메가와트 이상되어야 하고, 희귀한 삼중수소 유효자급률이 달성되어야 하며 안정성과 경제성도 빼놓을 수 없는 과제입니다. 당장에 이득이 되는 사업이 아니다 보니 지속적으로 인력과 비용이 투자되어야 하는 사업이고, 핵융합실증로 구축을 위해서는 10~20만 평의 대지가 필요합니다. 하지만 최소 2050년대에는 상용화 발전소 운영이 가능할 것이라고 합니다. 우리나라가 세계에서도 뛰어난 기술을 가지고 있는 만큼 꼭 실현되었으면 하는 바람입니다. 또한 우리 자녀들에게 물려줄 유산인 자연을 보호할 수 있었으면 합니다.
