우주의 힘으로 에너지를 생성하다. 핵융합 발전에 대하여

현재 전 세계의 화석 연료 공급이 계속 줄어들고 환경오염과 기후 변화에 대한 우려가 커지면서 새로운 대체 에너지원에 대한 필요성이 점점 더 절실해지고 있다. 앞서 설명했듯이 태양광, 풍력, 수력과 같은 재생 에너지의 활용도가 높아지는 것이 사실이지만, 모든 에너지원을 대체하기에는 발전량과 효율성 등에서 부족한 것이 사실이다. 그에 따라 새로운 에너지원의 개발을 계속해왔고 그중에 하나로 제기되는 기술이 바로 핵융합 발전이다. 이번에는 이 핵융합 발전이 무엇이며 현재 어디까지 기술이 진보되어 왔는지에 대해서 알아보자.

핵융합 발전이란 무엇인가

핵융합 발전은 원자핵의 융합에 의해 생성되는 에너지의 한 유형이다. 간단히 말해서, 핵융합은 두 개의 원자핵을 더 거대한 하나의 원자핵으로 결합하는 과정으로 이 과정에서 엄청난 양의 에너지를 방출하는데, 이는 태양과 우주의 다른 별에 동력을 공급하는 것과 동일한 과정을 의미한다. 핵융합 과정은 원자핵을 서로 붙잡는 힘인 강력한 핵력의 원리를 기반으로 한다. 이 힘을 극복하고 원자핵을 핵융합이 일어날 수 있을 정도로 서로 가깝게 만들려면 매우 높은 온도와 압력을 만들어야 하는데 이는 일반적으로 자기장을 사용하여 섭씨 수백만도까지 가열된 수소 동위원소(중수소 및 삼중수소) 플라즈마가 들어 있는 도넛 모양의 챔버인 토카막이라는 장치를 사용하여 달성할 수 있다. 이렇게 플라즈마가 필요한 온도와 압력에 도달하면 중수소와 삼중수소 핵이 서로 융합하여 헬륨 핵을 형성하고 이 과정에서 중성자와 대량의 에너지를 방출할 수 있다. 이 에너지는 고에너지 입자와 방사선에 의해 플라즈마에서 방출되어 유체를 가열하고 전기를 생성하는 데 사용될 수 있다. 핵융합 발전의 핵심 과제 중 하나는 플라즈마가 시간이 지남에 따라 냉각되고 분산되는 경향이 있기 때문에 핵융합에 필요한 높은 온도와 압력을 지속적으로 유지하는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 토카막 내부의 극한 조건을 견딜 수 있고 보다 효율적이고 지속적인 핵융합 반응을 가능하게 하는 새로운 재료와 기술을 개발하기 위해 노력하고 있다.

 

 

핵융합 발전은 위험하지 않은가

핵융합 발전은 사용하는 용어로 인해 많은 오해를 불러 일으킬 수 있다. 핵이라는 단어를 사용함에 따라 우리가 흔히 알고 있는 원자력 발전과 연관 지어서 생각하고는 한다. 하지만 이 두 가지는 엄연히 다른 방식의 발전이라는 것을 먼저 말하고 싶다. 용어의 차이로 먼저 설명을 하자면 핵융합 발전과 핵분열 발전이라고 할 수 있다. 먼저 핵분열 발전은 핵을 더 작은 부분으로 쪼개서 많은 양의 에너지를 방출하는 과정을 포함한다. 이 과정에는 일반적으로 핵분열 반응을 유도하기 위해 중성자를 쏘는 우라늄과 플루토늄과 같은 중성 방사성 원소가 사용된다. 핵분열 반응에서 발생하는 열을 이용하여 증기를 생성하고 이를 이용해 터빈을 구동하고 전기를 생산하는 방식이다. 반면 핵융합 발전은 두 개의 가벼운 원자핵을 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하는 것으로, 이 역시 많은 양의 에너지를 방출한다. 이 과정은 태양에서 에너지를 생성하는 방식과 유사해서 핵융합 발전기를 인공태양이라 부르기도 한다. 핵융합을 달성하기 위해서는 양전하를 띤 원자핵 사이의 정전기적 반발력을 극복하기 위해 높은 온도와 압력이 필요하다. 이러한 조건은 수소 동위원소인 중수소와 삼중수소를 섭씨 수백만 도의 온도로 가열하고 고밀도로 압축하는 원자로에서 만들어진다. 이렇게 해서 얻은 열을 이용하여 에너지를 생산하는 방식이다. 핵융합과 핵분열의 주요 차이점 중 하나는 사용되는 연료의 종류이다. 핵분열 발전은 무거운 방사성 원소를 사용하는 반면, 핵융합 발전은 수소 동위원소와 같은 가벼운 원소를 사용한다. 즉, 핵융합 연료는 자연에서 더 풍부하며 핵분열 반응과 달리 수명이 긴 방사성 폐기물을 생성하지 않는다. 또한 핵분열 원자로는 방사능 누출과 원전 사고의 위험이 있으며, 이는 사람과 환경 모두에 심각한 결과를 초래할 수 있다. 반면 핵융합로는 수명이 긴 방사성 폐기물을 생성하지 않으며, 사용되는 연료는 방사성 물질이 아니므로 본질적으로 더 안전하게 사용이 가능하다. 또한 사고가 발생하면 핵융합 반응은 연료 공급이 고갈되면서 발전이 중단되지만, 핵분열 반응은 원자로가 정지된 후에도 열과 방사선을 계속 생성할 수 있어 이 과정에서 방사능 유출과 같은 심각한 문제를 야기하게 된다. 이렇듯 핵융합과 핵분열 발전은 완전히 다른 기술이다. 안전 측면에서도 핵융합 발전은 자연과 인간에 완전 무해한 기술이라는 것을 알아둔다면 용어로 인한 오해는 이제 하지 않을 것이라 생각된다.

 

 

핵융합 발전의 현재와 미래

현재 핵융합 발전은 ITER 프로젝트라는 이름으로 프랑스 카다라쉬에 핵융합 발전소를 건설하기 위해 한국을 포함한 미국, 중국, 러시아, 일본, 유럽연합 등 35개국이 협력하고 있다. 이 프로젝트의 예상 비용은 약 200억 유로이며, 이는 깨끗하고 지속 가능한 에너지원으로서 핵융합의 미래를 위한 중대한 기술 투자 프로젝트이다. ITER는 “International Thermonuclear Experimental Reactor"의 약자로, 안전하고 신뢰할 수 있으며 사실상 무한한 에너지원으로서 핵융합의 기술적 실현 가능성을 입증하는 것이 프로젝트의 목표이다. ITER는 2010년에 건설이 시작되었으며 2025년에 가동을 목표로 진행되고 있다. 가동이 시작되면 ITER는 총 500메가와트의 화력 출력을 자랑하는 지금까지 건설된 핵융합로 중 가장 크고 강력한 핵융합로가 될 것이다. 이 원자로는 강력한 자기장을 사용하여 수소 동위원소(중수소 및 삼중수소) 플라즈마를 가두어 섭씨 1억 5천만도 이상의 온도로 가열하는 토카막을 설계하여 진해하고 있다. ITER의 핵심 목표 중 하나는 핵융합 반응이 자립하여 플라즈마를 가열하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 지점을 달성하는 것이다. 이를 달성하는 것은 핵융합 연구가 직면한 주요 기술적 과제 중 하나이며, 이 분야에서 성공하면 핵융합을 실용적인 에너지원으로 개발하는 데 중요한 이정표가 될 것이다.

 

핵융합 발전을 위해 극복해야 할 기술적, 공학적 과제는 여전히 많지만 최근 몇 년 동안 플라즈마 물리학, 재료 과학 및 첨단 제조 기술과 같은 분야에서 상당한 진전이 이루어져 왔고 이러한 기술이 계속 발전함에 따라 핵융합 발전은 깨끗하고 지속 가능한 에너지원으로서 점점 더 실용화될 가능성이 높아질 것이다 핵융합 발전은 전력 공급 외에도 우주 개발, 의료용 동위원소 생산, 재료 과학 연구 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 이러한 응용 분야는 핵융합 과학 분야의 혁신과 발전을 더욱 촉진하는 데 도움이 될 수 있으며, 다양한 분야에서 새로운 혁신과 발견을 이끌어낼 수 있을 것이다. 핵융합 발전 기술의 미래 전망은 매우 밝으며, 지속적인 연구 개발 노력으로 청정에너지 분야의 가능성의 한계를 계속 넓혀간다면 아직 극복해야 할 과제가 많지만, 핵융합 발전의 잠재적 이점은 상당하며 전 세계 에너지 지형에 혁신적인 영향을 미칠 수 있을 것이라 생각된다.

 

2023.02.24 - [산업 기술] - 재생 에너지, 자연으로부터 에너지를 얻다. (태양광, 풍력, 수력 발전)

재생 에너지, 자연으로부터 에너지를 얻다. (태양광, 풍력, 수력 발전)

 

2023.02.26 - [산업 기술] - 원자력 발전의 장단점과 활용분야 살펴보기

원자력 발전의 장단점과 활용분야 살펴보기

 

2023.03.03 - [산업 기술] - 액체수소는 에너지가 됩니다. 연료전지에 대하여

액체수소는 에너지가 됩니다. 연료전지에 대하여