우리나라가 지구상에 ‘인공 태양’을 만드는 데 앞장서고 있다. 태양의 핵융합 원리를 적용한 차세대 원자력 발전이 바로 그것이다. 기존의 원자력 발전이 핵분열을 이용, 방사능 누출 등의 위협이 존재하는 반면 핵융합 발전은 환경오염이나 자원고갈의 우려가 거의 없는 무한 청정 에너지에 가깝다.



●핵융합 발전은 무한 청정 에너지

원자력 에너지는 원자핵이 합쳐지거나 붕괴되는 두가지 반응에 의해 얻을 수 있다.

이중 핵분열은 우라늄(U-235)같은 무거운 원자핵에 외부의 중성자가 부딪치면 두개 이상으로 쪼개지는 성질을 이용한 것이다. 이 과정에서 없어진 질량이 에너지로 전환된다. 핵분열 반응을 연쇄적으로 일으키면 원자 폭탄이며, 폭발에 이르지 못하게 제어한 것이 기존의 원자력 발전이다.

핵융합은 핵분열과 상반되는 물리적 현상이다. 수소와 같은 가벼운 원소들의 핵이 서로 결합해 헬륨처럼 좀 더 무거운 원소를 형성하게 되며, 이때 에너지가 나오게 된다. 핵융합 반응을 연쇄적으로 일으켜 폭발을 유도하면 수소폭탄, 원자력 발전처럼 이를 제어한 것이 핵융합 발전이다.

핵융합 반응을 이용한 수소폭탄은 핵분열 반응을 활용한 원자폭탄보다 수백, 수천배의 위력을 가졌다고 한다. 이처럼 핵융합 반응에 의해 막대한 에너지가 발생된다는 사실은 이미 태양을 통해 입증됐다.

태양에서는 수소 원자 4개가 합쳐져 1개의 헬륨을 만드는데, 매초 7억t의 수소가 헬륨으로 변환되고 있다. 이 과정에서 태양은 초당 4조W의 100조배에 달하는 에너지를 방출하고 있다. 이는 현재 지구상 모든 발전소들이 동시에 생산가능한 총 발전용량보다 1조배 이상 많은 양이다. 태양은 지난 45억년간 절반가량이 헬륨으로 바뀌었지만, 앞으로도 50억년간 핵융합 반응을 통해 에너지를 공급할 수 있다.

한국원자력연구소 오병훈 박사는 13일 “핵융합 발전은 자연에 대규모로 존재하는 수소를 이용하며 현재의 핵분열 발전과는 달리 에너지 생성과정에서 방사능 및 유해물질을 거의 생산하지 않는다.”면서 “또 화석연료 고갈에 대비한 대체에너지로 언급되는 태양력과 풍력 등 자연에너지는 효율이 낮은 반면 핵융합 에너지는 고효율 대용량 에너지원이 될 수 있다.”고 설명했다.

●수소는 휘발유의 1000만배 효율

핵융합 반응의 연료는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소이다. 수소에 중성자 1개가 더 결합된 중수소는 바닷물 1ℓ에 약 0.03g이 존재할 만큼 풍부하다. 이는 300ℓ의 휘발유와 동일한 에너지를 만들 수 있는 양이다. 삼중수소 역시 지각이나 바닷물 등에 다량함유된 리튬을 핵융합로 안에서 핵변환시켜 얻을 수 있다.

예를 들어 200g의 중수소와 300g의 삼중수소만 있으면 100만㎾급 핵융합 발전소를 하루 동안 가동시킬 수 있다. 또 20t의 석탄이 탈 때 발생하는 에너지를 1.5㎏의 핵분열 연료로 생성할 수 있으며, 핵융합의 경우 60g의 연료만 있으면 된다.

그러나 중수소와 삼중수소의 원자핵을 서로 합치려면 1억도 이상의 고온이 필요하다. 현재 이같은 고온상태를 만드는 다양한 방법은 개발됐지만, 문제는 이 온도까지 올라가면 중수소와 삼중수소가 고체·액체·기체가 아닌 제4의 물질상태인 플라스마가 된다는 데 있다. 이처럼 뜨겁고 불안정한 플라스마를 가두어놓을 물질이 지구상에는 없기 때문에 자기력선을 활용하려는 연구가 진행되고 있다.

이같은 원리를 이용, 지난 1968년 러시아(옛 소련)에서 처음으로 초고온 플라스마를 100분의 1초 이상 가두는 ‘토카막’ 장치를 개발했다. 지금은 플라스마를 수십초 동안 가둘 수 있다. 우리나라의 경우 세계 최초로 초전도자석을 적용한 토카막형 장치인 차세대초전도 핵융합연구장치(KSTAR)를 오는 2007년 8월 준공할 계획이다. 특히 이 장치는 우수성을 인정받아 국제핵융합실험로(ITER)의 시험용 설비로 유력하게 검토되고 있다.

우리나라와 유럽연합(EU), 미국, 일본, 중국, 러시아 등 6개국이 참여하고 있는 ITER 프로젝트는 500㎿급 핵융합 발전을 목표로 하고 있다. 지난 1988년부터 시작돼 지난해까지 공학설계 및 기반기술 개발이 완료됐으며 지난달에는 ITER 건설부지로 프랑스 카다라시가 선정됐다. 올해에 장치 건설에 착수, 오는 2015년 완공할 계획이다.

오 박사는 “핵융합 발전이 상용화되려면 투입된 에너지보다 생산된 에너지가 20배 이상 많아야 하는데 현재는 같은 수준”이라면서 “ITER 프로젝트에서는 이같은 에너지 증폭률을 10 이상으로 높일 계획이며 핵융합 발전의 물리적, 공학적 문제점 등도 검증해나갈 계획”이라고 말했다.

장세훈기자 shjang@seoul.co.kr