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지금 세계 선진국들은 앞 다투어 새로운 에너지원 개발에 나서고 있다. 지구촌 전체 에너지 소비량의 80% 이상을 차지하는 화석연료의 고갈 위기가 40∼50년 후면 닥칠 것으로 예상되고 있기 때문이다. 화석연료가 고갈되는 시점에서 새로운 에너지원을 확보하지 못한다면 인류는 문명생활을 접고 다시 원시생활로 돌아가야 할지도 모른다.
이에 따라 세계 각국은 2040∼2050년 상용화를 목표로 한 에너지원 개발에 열을 올리고 있다. 이 가운데 현재 가장 활발한 연구가 진행되고 있는 것이 ‘핵융합에너지’다. 우리나라도 지난 95년부터 장장 12년에 걸쳐 개발한 핵융합연구장치 ‘KSTAR’를 국내 독자 기술로 완공하고 핵융합 연구개발에 들어갔다. 미래 에너지원 확보를 위한 경쟁에 우리나라도 본격적으로 뛰어든 것이다.
◇태양에너지의 원리는 핵융합=인류 생존에 가장 큰 영향을 주고 있는 태양에너지. 이 태양에너지의 발생 원리가 바로 핵융합이다. 태양의 내부에서는 가벼운 수소 원자핵들이 합쳐지면서 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합 반응이 일어나는데 그 과정에서 나타나는 질량 감소가 엄청난 에너지로 변환된다.
같은 원리로 에너지를 생산하고자 하는 것이 핵융합에너지 개발 연구이다. 지구에서 핵융합에너지를 얻기 위해 가장 중요한 것은 태양과 같은 초고온의 플라즈마를 만들고 가둘 수 있는 핵융합 장치를 만드는 일이다. 이를 위해 선진국에서는 오래전부터 핵융합장치 개발을 연구해왔으며, 자기장을 이용해 초고온의 플라즈마를 가두는 자기밀폐 방식을 통해 90년대 유럽과 일본에서는 핵융합에너지 방출량이 손익분기점을 넘는 연구결과를 얻어 상용화 가능성을 검증하기도 했다.
◇12년 연구개발 ‘KSTAR’=선진국보다 뒤늦게 핵융합 연구에 눈을 뜬 우리나라는 70년대부터 진행되어 온 소규모의 핵융합 연구 과제들을 발판으로 지난 95년부터 핵융합연구장치인 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 개발·운영 사업을 수행해왔다. KSTAR는 높이 9m, 지름 9m의 중형급 토카막(핵융합장치)으로 초전도 자석을 사용한 가장 진보된 형태의 장치다.
기존 핵융합 장치들은 구리선을 이용해 자기장을 만들어 플라즈마를 가두는 방식을 사용해 엄청난 열 발생이 뒤따랐다. 이에 반해 KSTAR는 세계 최초로 니오븀주석(Nb3Sn)이라는 첨단의 초전도자석으로 제작, 더욱 강력한 자기장을 만들어낼 수 있게 돼 세계적인 주목을 받고 있다.
이같은 기술력을 인정받아 우리나라는 미국·EU·일본·중국·러시아·인도 등이 공동 개발하는 국제핵융합실험로(ITER)에 참여할 수 있게 됐으며, ITER는 KSTAR와 같은 초전도 자석을 사용하게 된다. ITER의 약 25분 1의 크기인 KSTAR는 2015년 프랑스에서 건설되는 ITER의 시험장치로서 역할을 다할 예정이다.
지난 7월 KSTAR 시찰을 위해 핵융합연구센터를 방문한 ITER 수석 사무차장 노버트 홀트캠프가 “KSTAR는 ITER의 선행실험로로 세계 핵융합에너지 연구에 있어 허브 역할을 할 전망”이라고 한 말이 결코 과장이 아니다.
◇핵융합 핵심기술 우리 힘으로=KSTAR 건설은 12년 동안 총 3090억원이 투입되고 산학연 39개 기관에서 총 1500여명이 참여한 대규모 장기 프로젝트다. 이를 통해 핵융합 기술이 거의 전무했던 우리나라가 핵융합 개발에 필수적인 10대 기술을 확보해 핵융합에너지 상용화 개발 선두주자로 가는 발판을 마련했다는 점에서 의미가 크다.
우선 KSTAR를 개발하면서 핵융합 장치의 알맹이라 할 수 있는 초전도 자석과 초전도 선재를 우리 손으로 제작했다. KSTAR에 들어가는 30개의 대형 초전도 자석을 순수 국내 기술로 개발하고 최고 660도에서 40일간 소요되는 진공 열처리 공정을 수행해 양산 체제를 구축했다. 이는 다른 핵융합 장치와는 차별화된 KSTAR 만의 독특한 공정 기술로 7개의 관련 특허도 등록했다.
세계 최초로 개발에 성공한 신소재 초전도 선재(Nb3Sn)는 높은 자기장 환경에서도 안정적으로 초전도 자석의 운전이 가능하도록 한다. 우리나라는 이 기술 개발을 통해 ITER의 초전도 자석에 사용될 초전도 선재의 20%를 공급하게 돼 약 710억원의 경제 효과를 거두게 됐다.
초고온 플라즈마를 담는 그릇 역할을 하는 대형 진공용기는 세계 최초로 3차원 곡면형상으로 제작했다. 이 기술은 항공우주 분야에도 적용돼, 지난해 11월 한국항공우주연구원이 우주환경을 모사해 인공위성을 시험하는 ‘대형 열진공 챔버’를 개발하는데 비용절감 효과를 가져다 주었다. 또한 초고온의 플라즈마를 생성하는 진공용기와 극저온의 초천도 자석 사이 온도 변화를 차단하는 열차폐체의 제작에 성공해 약 600억원 규모인 ITER 열차폐체 전량을 국산품으로 조달하게 됐다.
전기 분야에서는 초전도 자석에 전원을 공급하는 ‘고전압 대전류 전원장치’를 제작했다. 특히 이 제품은 KSTAR 장치의 핵심 설비로, ITER에 고스란히 적용된다. 이 장치는 독창성과 기술적 중요성을 인정받아 산업기술진흥협회로부터 ‘2007 장영실상’을 수상했다.
비교적 가장 최근 한국원자력연구원에 의해 개발된 ‘고주파 가열장치’는 세계 최초로 진공상태에서 고주파를 이용해 6000만도에 가까운 초고온을 5분 동안 낼 수 있는 기술로, 연구 10년 만에 개발하는 성과를 거뒀다. 이 밖에도 KSTAR 건설 과정 중에 장치조립기구, 초전도 전류전송장치, 중성입자빔 장치 등 신기술을 개발했다. 이러한 성과는 단순한 기술 개발을 넘어서 그에 따른 파생기술 및 신산업 창출을 가능케 한다는 점에서 경제적 파급효과가 상당할 전망이다.
◇핵융합으로 획득하는 에너지주권=우리나라는 세계 10대 에너지 소비국으로 지난해 85조원의 에너지를 수입했다. 이는 우리나라 수출의 핵심품목인 반도체와 자동차 수출액을 합한 금액보다 많다. 이처럼 우리나라가 에너지에 들이는 비용은 막대하며 앞으로 이 비용은 더 증가할 것이다. 화석에너지의 매장량은 점차 줄고 신흥 개발국들의 에너지 사용 증가로 수요는 계속해서 늘기 때문이다. 이에 따라 미래에너지에 대한 개발은 시급하다. 그 가운데서도 우리가 핵융합 개발에 특별한 관심을 기울여야 하는 이유는 충분하다.
핵융합 연료인 중수소와 삼중수소는 무한정으로 얻을 수 있다. 바닷물 1리터에는 0.03그램의 중수소가 들어있으며 삼중수소도 리튬에서 쉽게 얻을 수 있다. 이러한 연료를 통해 얻을 수 있는 에너지도 고효율적이다. 핵융합연료 1그램은 석유 8톤 분량에 해당하는 에너지를 발생하며 500그램의 핵융합 연료만으로 100㎾급 발전소 2기를 하루 동안 가동할 수 있다.
또 핵융합은 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 클린에너지로 방사능량도 원자력의 0.04%에 불과하다. 처리에 있어서도 고준위 방사성 폐기물의 발생이 없으며, 10∼100년이면 재활용이 가능할 정도의 소량의 중저준위 폐기물만 발생할 뿐이다. 또한 문제가 생기더라도 핵융합로의 온도가 높아질 가능성이 없고, 온도가 떨어지면 핵융합은 자동으로 중단된다. 따라서 원자력 발전처럼 폭발이나 방사능 누출의 위험이 전혀 없다. 이런 핵융합의 장점들 때문에 에너지 빈국인 우리나라로서는 핵융합에너지 개발은 놓칠 수 없는 새로운 기회다. 특히 KSTAR 개발을 통해 여러 가지 원천기술을 확보한 우리나라의 과학기술 위상 제고와 첨단기술 확보 차원에서도 앞으로 꾸준한 연구가 계속되어야 한다.
KSTAR 완공은 사실 끝이 아니라 핵융합에너지 개발의 시작을 의미한다. 새로운 에너지원 개발이 절대 쉬운 일이 아닌 만큼 그동안 공들여온 시간보다 앞으로 더욱 많은 시간과 비용이 필요할 것으로 보인다. 그래도 핵융합 연구는 꾸준히 계속되어야 한다. 미래는 자원부국이 아닌 기술대국이 에너지 주권을 행사하는 시대이기 때문이다.
<필자소개>
박주식 국가핵융합연구소 KSTAR 센터장(jsbak@nfrc.re.kr)
-1979년 서울대학교 원자핵공학과 졸업
-1981년 서울대학교 대학원 원자핵공학과 핵공학석사
-1989년 서울대학교 대학원 원자핵공학과 핵공학박사
-1983∼1991년 한국원자력연구소 원자력병원 싸이클로트론실 실장
-1988∼1989년 독일 Karlsruhe 핵물리연구소(KfK) 연구원
-1989∼1991년 서울대 원자핵공학과 시간강사 (핵계측 분야)
-1991∼2001년 포항가속기연구소 수석연구원
-2001∼2005년 핵융합연구센터 책임연구원
-2005∼현재 국가핵융합연구소 KSTAR 센터장