핵융합 기술의 발전을 향한 협력과 경쟁

핵융합 기술은 최근 몇 년 동안 상당한 발전을 이루어 왔으며 깨끗하고 탄소 배출을 전혀 하지 않고 전력을 생성할 수 있는 가능성을 현실에 더 가깝게 가져왔습니다. 최근의 성과 중 하나는 핵융합 에너지를 생성하기 위해 100조 분의 1초 동안 지속되는 짧은 레이저 펄스를 사용하는 로렌스 리버무어 국립연구소(LLNC)의 국립점화시설(NIF)에서의 성공적인 핵융합 점화입니다. 핵융합 에너지 회수율 1.54의 결과 이득 계수는 상당한 개선이며 핵융합을 사용하여 인위적으로 에너지를 생성할 수 있다는 가능성을 확인하였습니다.

 

핵융합 기술의 장점은 넓은 토지와 백업 발전 및 에너지 저장을 위한 추가 비용이 필요한 태양열 및 풍력과 달리 온실 가스를 배출하지 않음으로써 기후 변화에 대처할 수 있는 능력을 포함하고 있습니다. 또한 핵융합의 에너지 밀도는 우라늄-235 핵분열을 사용하는 원자력 발전소보다 7배 더 높기 때문에 보다 효율적이고 강력한 에너지원입니다.

 

핵융합을 기반으로 하는 "인공 태양"의 개념은 태양을 대체하기 위한 것이 아니라 안전하고 지속 가능한 방식으로 지구에서 태양의 힘을 활용하기 위한 것입니다. 단 5초 만에 59 메가줄의 열 에너지를 생성하는 JET-Joint European Torus의 최근 성공은 차세대 에너지원으로서 핵융합을 추구하는 기술의 괄목할만한 진전 중 하나입니다. 기술에 문제가 없는 것은 아니지만 핵융합은 세계 에너지 위기에 대한 핵심 솔루션으로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

 

 

핵융합 발전의 장점

 

 

핵융합 발전은 세상을 바꿀 수 있는 혁신적인 기술입니다. 핵분열 반응에 의존하여 전기를 생산하는 기존 원자력과 달리, 핵융합 발전은 태양에 동력을 공급하는 것과 동일한 과정을 활용합니다. 핵융합 발전은 값비싼 우라늄 농축 공정이 필요 없고, 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않으며, 체르노빌이나 후쿠시마 같은 대형 사고의 위험이 줄어드는 등 다양한 이점이 있습니다.

 

핵융합 발전의 가장 큰 장점 중 하나는 값비싼 우라늄 농축 공정이 필요 없다는 점입니다. 연료를 생산하기 위해 우라늄을 농축해야 하는 기존 원자력과 달리 핵융합 발전은 수소보다 두 배나 무겁고 전기분해를 통해 바닷물에서 쉽게 분리할 수 있는 중수소를 사용합니다. 핵융합 반응에 필요한 삼중수소를 생산하는 데 필요한 리튬도 비교적 쉽게 구할 수 있습니다. 즉, 핵융합 발전은 기존 원자력 발전보다 안전할 뿐만 아니라 비용도 더 효율적입니다.

 

핵융합 발전의 또 다른 장점은 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않는다는 점입니다. 수천 년 동안 방사능이 남아있는 사용 후 핵연료를 생산하는 기존 원자력과 달리 핵융합로는 반감기가 짧은 소량의 방사성 동위원소만 생산합니다. 즉, 이러한 동위원소는 장기간 관리할 필요가 없으며 환경에 큰 위험을 초래하지 않습니다.

 

또한 핵융합 발전은 체르노빌이나 후쿠시마에서 발생한 것과 같은 대형 사고의 위험도 줄여줍니다. 핵분열 반응에 의존하는 기존 원자력과 달리 핵융합 발전은 신중하게 관리하지 않으면 연쇄 반응으로 이어질 수 있지만, 핵융합 원자로는 문제가 발생하면 자동으로 안전하게 정지하도록 설계되어 있습니다. 사고로 인해 원자로의 온도가 떨어지더라도 핵융합 반응이 자동으로 멈추기 때문에 치명적인 사고의 위험을 줄일 수 있습니다.

 

핵융합 발전은 비교적 새로운 기술이지만 핵융합 과정 자체는 그렇지 않습니다. 실제로 태양을 움직이는 에너지는 핵융합 반응을 통해 생성됩니다. 1939년 미국의 핵물리학자 한스 베테가 이 과정을 발견하면서 핵융합 발전 기술 개발의 토대가 마련되었습니다.

 

핵융합 발전의 잠재적 이점에도 불구하고 이 기술에는 몇 가지 위험 요소도 있습니다. 예를 들어, 태양에 전력을 공급하는 동일한 프로세스가 수소폭탄과 같은 대량 살상 무기를 만드는 데에도 사용될 수 있습니다. 그러나 이러한 위험은 기술의 신중한 관리와 규제를 통해 완화할 수 있을 것입니다.

핵융합 발전의 역사

 

 

핵융합 발전의 역사는 1950년대 연구자들이 핵융합 반응을 평화적인 목적으로 사용할 수 있는 가능성을 탐구하기 시작한 시기로 거슬러 올라갑니다. 인공 핵융합은 태양에서 일어나는 탄소-질소 촉매 연쇄 반응과 달리 중수소와 삼중수소 핵이 충돌할 때 뜨거운 중성자와 헬륨 핵을 방출하는 훨씬 더 간단한 핵융합 반응을 수반합니다.

 

인공적으로 핵융합을 일으키려면 중수소와 삼중수소 핵을 태양 내부 온도와 비슷한 섭씨 1억 도의 온도까지 가속해야 합니다. 이 온도에서 핵은 전자를 잃은 플라즈마 상태로 존재합니다. 이를 달성하기 위한 방법은 입자가속기에서 널리 사용되는 기술인 강한 자기장을 사용하여 양전하를 띤 핵을 가속하는 것입니다.

 

그러나 섭씨 1억도까지 가열된 플라즈마를 담을 수 있는 물질은 아직까지 알려진 바가 없습니다. 우주왕복선에 사용된 세라믹 단열재를 포함하여 우리가 가진 재료는 원자 수준에서 부서지는 고온을 견딜 수 없습니다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 강력한 초전도 자석으로 만든 고리형 자기장 안에서 플라즈마를 부양하는 방법을 개발했습니다. 이 방법은 1950년대에 러시아의 반체제 물리학자인 안드레이 사하로프가 처음 개발했으며 토카막으로 알려져 있습니다.

 

2005년에 유럽연합 연구팀은 토카막을 사용하여 핵융합으로 16기가와트의 전기를 생산했습니다. 그러나 전자석을 사용하여 플라즈마를 생성하는 데 더 많은 전기가 소비되었습니다. 전력 소비를 줄이기 위해 대덕연구단지에 있는 초전도핵융합연구장치(KSTAR)는 핵융합 가능성을 시험하기 위한 토카막 시설로 개발되었습니다. 액체 헬륨을 이용해 영하 268도까지 냉각한 초전도 전자석을 사용합니다.

 

KSTAR는 현재 1억도 플라즈마를 30초간 유지하는 세계 신기록을 보유하고 있습니다. 고온 플라즈마를 100초 이상 유지하면 연속 핵융합이 가능할 것으로 기대됩니다. 핵융합을 실용적인 에너지원으로 활용하기 위해서는 아직 해야 할 일이 많지만, 이 목표를 달성하는 데 필요한 기술 개발에는 지난 몇 년 동안 상당한 진전이 있었습니다.

핵융합 기술 개발을 위한 각국의 노력

 

 

세계 각국은 막대한 양의 청정에너지를 생산할 수 있는 핵융합 기술 개발에 막대한 투자를 하고 있습니다. 가장 큰 국제 공동 개발 프로젝트 중 하나는 미국, 러시아, 유럽연합, 일본, 중국, 인도, 한국이 공동으로 개발, 건설 및 운영하는 프랑스에 위치한 토카막형 핵융합로인 국제핵융합실험로(ITER)입니다. 현재 77%의 공정률을 보이고 있으며, 2035년 상용화를 목표로 2050년 실제 발전소 가동을 목표로 하고 있습니다. 한국은 ITER 지분 9.09%를 확보하고 2035년까지 390억 원을 투자했습니다.

 

ITER 외에도 미국과 영국은 핵융합 발전을 위한 국가적 노력을 지속하고 있습니다. 미국의 스팍(SPARC), 캐나다의 제너럴 퓨전, 구글과 쿠웨이트 투자청이 합작해 핵융합로 '코페르니쿠스'를 건설 중인 TAE 테크놀로지스 등 민간 기업과 스타트업도 야심 차게 핵융합 발전 기술 개발에 나서고 있습니다.

 

핵융합에 필요한 고온을 생성하기 위해 과학자들은 일상적인 전자 레인지와 유사한 원리로 작동하는 플라즈마 가열 장치와 중성 입자 빔 가열 장치를 만들고 있습니다. 또한 일반적으로 냉각에 사용되는 액체 헬륨으로 만든 저온 초전도 자석을 사용하고 있습니다. 또한 과학자들은 플라즈마의 2D 이미지를 촬영하여 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 확인할 수 있는 진단 장치를 개발했습니다.

 

한국도 프랑스에 한국형 초전도핵융합실험로(KSTAR)와 모양과 형태가 유사한 초전도 토카막 연구 장치를 건설하고 있습니다. KSTAR보다 높이가 3배, 크기는 27배가 될 토카막은 2025년에 완공될 예정입니다. ITER 프로젝트에서 핵융합 전력을 실제로 생산하고 효율적이고 안정적으로 운영할 수 있음을 성공적으로 증명한다면, 다음 단계는 실생활에 사용할 수 있는 전기를 생산하기 위한 핵융합 발전소를 건설하는 것입니다. 핵융합으로 플라즈마에서 발생하는 열로 전기를 생산하는 문제를 해결하기 위해 플라즈마에 투입된 열에너지 이상으로 얼마나 많은 열에너지가 방출되는지 최초로 실증할 수 있는 핵융합실증발전소(DEMO)를 준비하고 있습니다.

 

이와 같이 세계 각국은 막대한 양의 청정에너지를 생산할 수 있는 핵융합 기술에 적극적으로 투자하고 있습니다. ITER와 KSTAR와 같은 프로젝트가 이러한 노력의 선두에 서 있으며, 민간 기업과 스타트업도 야심차게 핵융합 발전 기술을 개발하고 있습니다. 이러한 프로젝트가 성공하면 전 세계 에너지 시스템에 혁명을 일으키고 보다 지속 가능하고 깨끗한 에너지원을 제공할 수 있게 될 것입니다.

핵융합 기술 개발을 위한 필요 조건

 

 

핵융합은 오랫동안 세계 에너지 문제에 대한 해답으로 환영받아 왔습니다. 태양에서 일어나는 핵반응을 재현함으로써 온실가스를 배출하지 않는 청정하고 재생 가능한 에너지를 제공할 수 있기 때문입니다. 하지만 지구에서 핵융합을 달성하는 것은 매우 어려운 일이며 특정한 기술적 조건을 충족해야 합니다.

 

핵융합에 대한 한 가지 접근 방식은 레이저를 사용하여 중수소와 삼중수소 원자를 가열하고 가둔 다음 서로 융합하여 헬륨을 생성하고 에너지를 방출하는 것입니다. 이 방법은 1960년대에 로렌스 리버모어 국립 연구소(LINC)에서 처음 개발되었으며, 현재는 LLNC의 국립 점화 시설(NIF)에서 연구되고 있습니다. NIF는 엄청난 양의 전기와 군사용으로 분류되는 강력한 적외선 레이저를 사용합니다. 핵융합을 달성하기 위해 중수소와 삼중수소로 채워진 작은 금속 용기에 192개의 레이저를 비추어 섭씨 수백만 도까지 가열되는 플라즈마를 생성합니다.

 

또 다른 접근 방식은 진공 내부에 매우 강한 자기장을 생성하는 도넛 모양의 장치인 토카막을 사용합니다. 토카막 내부에 가스를 넣어 플라즈마를 생성한 다음 복잡한 외부 가열 장치를 통해 섭씨 1억도 이상으로 가열합니다. 한국 연구진은 2007년에 1억 도의 초고온 플라즈마를 생성하고 이를 가두기 위해 초전도 자석을 사용하는 핵융합 실험 장치인 KSTAR를 자체 개발했습니다.

 

성공적인 핵융합 발전을 위한 기술적 조건은 까다롭습니다. 먼저 핵융합 연료를 섭씨 수백만 도까지 가열하여 서로 융합할 수 있는 플라즈마를 만들어야 합니다. 이를 위해서는 전자레인지처럼 작동하는 플라즈마 가열 장치나 입자를 고속으로 가열하는 중성 입자 빔 가열 장치와 같은 복잡한 외부 가열 장치가 필요합니다. 둘째, 플라즈마를 아주 작은 공간에 가두고 높은 압력을 가해 원자들이 서로 부딪혀 융합할 수 있도록 해야 합니다. 이를 위해서는 액체 헬륨으로 냉각된 초전도 자석에 의해 생성되는 강한 자기장이 필요합니다.

 

또한 핵융합으로 발생하는 열을 가둬서 전기로 변환해야 합니다. 이를 위해서는 핵융합 반응에서 발생하는 극한의 온도와 방사선을 견딜 수 있는 소재가 필요합니다. 또한 열을 전기로 변환할 수 있는 터빈과 같은 효율적인 에너지 변환 기술도 필요합니다.

 

지구에서 핵융합을 달성하려면 고온, 강한 자기장, 효율적인 에너지 변환 기술 등 특정한 기술적 조건이 충족되어야 합니다. 핵융합 연구는 상당한 진전을 이루었지만, 핵융합 전력이 현실화되기까지 극복해야 할 과제는 여전히 많습니다. 하지만 온실가스를 배출하지 않는 청정 재생 에너지를 비롯한 핵융합 발전의 잠재적 이점을 고려할 때 핵융합은 미래 유망한 연구 분야입니다.

 

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핵융합 기술의 미래

핵융합 기술은 오랫동안 세계의 에너지 및 기후 위기에 대한 잠재적 해결책으로 선전되어 왔습니다. 그러나 수십 년에 걸친 연구에도 불구하고 "핵융합 난이도 법칙"에 따르면 핵융합 발전의 상용화는 아직 20년이나 남은 것으로 여겨지고 있습니다. 이 법칙은 핵융합 에너지의 발전이 더디고 어렵다는 점에서 놀라울 정도로 정확한 것으로 입증되었습니다.

 

핵융합 기술 개발의 핵심 기술적 난제 중 하나는 핵융합 반응에 필요한 초고온 플라즈마를 생성하고 유지하는 것입니다. 핵융합이 일어나기 위해서는 플라즈마를 섭씨 수백만도까지 가열해야 하지만, 플라즈마를 억제하고 안정화시키는 데 상당한 기술적 어려움이 있습니다. 연구자들은 이러한 문제를 해결하기 위해 핵융합로를 위한 새로운 재료와 설계를 지속적으로 탐구하고 있습니다.

 

또 다른 과제는 소비하는 에너지보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있는 지속 가능하고 제어 가능한 핵융합 반응을 달성해야 한다는 것입니다. 핵융합 반응은 매우 복잡하고 정확한 조건이 필요하기 때문에 지금까지는 이를 달성하기가 어려웠습니다. 또한 중수소 및 삼중수소와 같은 핵융합 반응의 연료는 대량으로 확보해야 하는데, 이는 비용이 많이 들고 구하기 어려울 수 있습니다.

 

이러한 어려움에도 불구하고 핵융합 기술의 미래를 낙관할 수 있는 이유가 있습니다. 연구자들은 첨단 소재를 사용하고 새로운 원자로 설계를 개발하는 등 핵융합 에너지에 대한 새로운 접근법을 모색하고 있습니다. 한 가지 유망한 접근 방식은 강력한 자기장을 사용하여 플라즈마를 가두어 안정화시키는 자기 감금 핵융합입니다. 현재 프랑스의 국제핵융합실험로(ITER)를 비롯하여 이 접근법을 탐구하기 위한 여러 대규모 프로젝트가 진행 중입니다.

 

또 다른 유망한 연구 분야는 인공 태양광을 이용한 핵융합으로, 이전에는 접근이 불가능했던 태양의 일부에서 전력을 생산할 수 있습니다. 이 접근 방식에는 첨단 재료와 기술을 사용하여 초고온과 극저온을 동시에 생성하고 제어하는 것이 포함됩니다. 이 접근 방식은 상당한 기술적 과제를 안고 있지만, 에너지 생산에 혁명을 일으키고 세계에서 가장 시급한 환경 문제를 해결할 수 있는 잠재력도 있습니다.

 

결론적으로 핵융합 발전의 상용화는 아직 몇 년이 더 걸릴 수 있지만, 이 기술의 미래에 대해 희망을 가질 만한 이유가 있습니다. 연구자들은 핵융합 에너지에 대한 새로운 접근법을 개발하는 데 계속 진전을 보이고 있으며, 핵융합 발전의 잠재적 이점 또한 상당합니다. 깨끗하고 지속 가능한 에너지가 점점 더 시급한 우선순위가 되면서 핵융합 기술은 세계의 에너지 및 환경 문제를 해결하는 데 필수적인 도구가 될 수 있을 것입니다.