[미리보는 '금요일에 과학터치'] 핵융합 에너지

영화 '아이언맨'의 동력인 초소형 핵융합 장치. 국가핵융합연구소 제공

'무한한 에너지의 원천인 태양을 지구에 만들면 어떨까.'

21세기에 살고 있는 인류는 에너지와 환경이라는 두 가지 커다란 문제에 봉착하고 있다. 더 많은 에너지를 생산하기 위해 상용되는 화석 연료는 온실효과를 통해 기후와 환경에 큰 변화를 가져 왔다. 이는 또다시 인류의 생존에 악영향을 미치고 있는 것이 현실이다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 인류는 무한한 에너지의 원천인 태양을 지구에 만들어 청정에너지를 확보하기 위한 연구를 하고 있다. 핵융합 에너지는 수소로부터 헬륨을 만들어내는 과정이며 자연계에 존재하는, 가장 효과적인 에너지 생산 방식이라고 할 수 있다. 태양을 인공적으로 지구 상에 만들에 핵융합을 이용한 에너지를 생산, 현재 인류가 직면한 에너지와 환경 문제를 한꺼번에 해결하려는 것이 핵융합 연구다.

국가핵융합연구소(NFRI)는 미래 녹색에너지원으로 세계가 주목하고 있는 핵융합 에너지 개발을 이끄는 우리나라 유일의 핵융합 전문 연구기관. 세계 최고 수준의 핵융합 연구장치인 'KSTAR'(케이스타)를 국내 기술로 개발했고, 이를 세계 핵융합 공동연구 장치로 운영해 핵융합 상용화를 위한 핵심 기술 개발과 우수한 핵융합 인력 양성에 힘쓰고 있다.

연구소는 또 핵융합 에너지 상용화를 위해 세계 주요 선진 7개국이 공동으로 수행하고 있는 국제핵융합실험으로 'ITER'(이터) 사업에 참여, 연구소의 최종 목표인 한국형 핵융합 발전소 건설을 준비하고 있다. 더불어 플라스마와 핵융합 연구 과정에서 얻은 기술들을 다양한 산업 분야에 적용해 신산업 창출과 국내 산업의 고부가가치화에 기여할 수 있는 방안을 연구 중이다.

올해 연구소는 ITER의 국내 조달 품목 가운데 진공 용기 제작에 들어가고 ITER 국제기구와 플라스마 물리 공동 연구도 수행한다. KSTAR와 ITER 사업에서 이어지는 핵융합발전으로 연구로 핵융합 발전소 건설을 위해 차근차근 단계를 밟아 나가고 있다. 이를 통해 전 세계 핵융합 에너지 개발을 선도하는 세계적 연구 기관으로 자리 매김하고 우리나라를 에너지 자립국이자 진정한 에너지 수출국으로 변모시킨다는 것이 연구소가 그리는 야심 찬 미래다.

핵융합은 우주에서 별의 생성 과정에 관여하는 가장 기본적인 원자핵 반응으로 6개의 양성자를 이용해 헬륨을 만들어내는 과정이다. 이 과정에서 나타나는 질량 결손에 따른 에너지를 이용하려는 것이 핵융합 연구의 목적이다. 핵융합 반응은 1억 ℃ 이상의 고온과 높은 압력이 필요하기 때문에 이 과정을 인공적으로 만들어 내기는 쉽지 않다.

따라서 이러한 상태에 도달할 수 있도록 플라스마 상태를 이용한다. 플라스마는 고체, 액체, 기체도 아닌 '제4의 물질'로 불리는데 신소재 합성이나 고분자와 금속 표면 처리 등에 이용된다. 이온과 전자가 분리된 상태로 존재하는 것이 특징이다.

이러한 플라스마를 지구 상에 가두기 위해서는 특별히 고안된 용기가 필요하다. 이 용기를 '토카막'(TOKAMAK)이라고 부른다. 현재 국가핵융합연구소에서 핵융합 연구를 위해 사용하는 토카막은 KSTAR로 세계 최초의 초전도 토카막이다. 이번 강연에서는 플라스마와 핵융합, 그리고 인공태양으로 불리는 토카막 장치에 대해 살펴볼 예정이다.