<전문> `인공태양`으로 불리는 핵융합에너지가 지구환경변화와 에너지 위기에 대응할 차세대 대체 에너지원으로 주목받고 있다. 우리나라는 유럽유럽과 일본, 러시아, 미국, 중국, 인도 등이 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 실증실험에 참여하며, 한국형 차세대초전도핵융합연구장치 KSTAR를 오는 2040년 상용화하기 위해 연구를 활발히 진행하고 있다.
이에 전자신문은 대전서 16일까지 열리는 제23차 국제원자력기구 핵융합에너지컨퍼런스(IAEA FEC 2010)를 계기로 녹색에너지의 미래 핵융합 기술의 상용화 여부와 기술 수준, 세계적인 동향 등을 이경수 국가핵융합연구소장의 사회로 세계적인 석학들의 입을 통해 들어봤다.
◇사회=이경수 국가핵융합연구소장(서울대 출신으로 텍사스대 플라즈마 물리학 박사, 미국 MIT 대 플라즈마 융합센터 연구원 등을 거쳐 현재 ITER 프로젝트 경영자문위원회 의장과 IAEA 국제핵융합연구평의회 의장을 맡고 있다.
◇스티브 카울리 CCFE(영국 컬햄핵융합연구소) 소장(현재 영국원자력에너지청(UKAEA) CEO로 미국 UCLA 교수를 지냈다. 옥스퍼드대를 졸업하고 프린스턴대에서 박사학위를 받았다. 임페리얼 칼리지에서 프라즈마 물리학을 총괄하기도 했다.)
◇카를로스 알레잘드레이 ITER 사무차장(뉴욕 기술 대학서 박사학위 취득 후 다양한 핵융합 관련 기관에서 연구에 참여했다. 2004년부터 2006년까지 스페인 교육과학기술부 과학정책국장을 지냈다.
◇로버트 골드스톤 프린스턴 대 교수(미국 프린스턴 대학의 천체물리과학과의 교수이며, 1997년부터 2007년까지 프린스턴 플라즈마 물리 연구소의 연구소장을 역임하는 등 1970년대부터 미국 핵융합 연구를 이끌어 왔다.
◇제롬 파멜라 ITER 프랑스 사업단장(1999년부터 유럽 핵융합 장치인 JET를 이끌어 왔다. 2006년에는 독일로 옮겨 유럽 핵융합 연구 연합인 EFDA의 소장으로써 유럽 핵융합 연구을 총괄해왔다. 현재 프랑스 원자력 위원회에서 일하고 있다
◇사회(이경수 국가핵융합연구소장)=지난 월요일 IAEA FEC행사의 개막식에 참석한 김황식 국무총리가 개회사에서 말한 것처럼 한국은 지금 녹색성장을 위해 많은 노력을 하고 있다. 특히 이명박 정부에서는 녹색 성장을 위한 27대 녹색 기술 연구가 한창이다. 핵융합이 장기 프로젝트임에도 이중 하나로 선정됐다. 핵융합에너지가 녹색기술 분야에서 어떠한 의미를 갖고 있다고 보나
◇스티브 카울리 CCFE소장=핵융합은 완벽한 녹색에너지원이다. 환경에 끼치는 해가 거의 없고, 자원은 무한하다., 이를 위해선 적은 대지만 있으면 된다. 단 하나의 단점은 정말 만들기가 어렵다는 것이다. 하지만 우리는 해낼 것이다. 거의 만들었다. 핵융합이 이루어지면 다른 에너지들은 그 빛을 잃게 될 것이다.
◇카를로스 알레잘드레이 사무차장=하나 추가 하자면 핵융합은 매우 안전한 에너지라는 것이다. 미래 에너지원이 가져야 하는 중요한 면 중 하나가 안전이다. 핵융합은 다루기에 매우 안전한 에너지이다.
◇골드스톤 교수=폐기물 부분에서도 핵융합은 매우 큰 장점을 가지고 있다. 핵융합은 단지 짧은 기간에 독성이 없어지는 저준위 폐기물만이 발생한다. 또한 핵무기와 전혀 관련이 없는 에너지라는 것이 장점이다.
◇파멜라 사업단장=파워풀한 연료도 장점이다. 핵융합은 적은 연료로 많은 에너지를 생산한다. 1g의 핵융합 연료로 수t의 석유가 생산하는 에너지를 만들 수 있다. 더구나 핵융합에 필요한 연료는 지구상에 700만년 이상 사용 가능한 양이 있는 거의 무한한 에너지다.
◇사회=맞는 말이다. 특히 한국과 같은 자원 빈국에서는 이 부분이 매우 중요하다. 대부분의 에너지원은 편중돼 있다. 심지어 태양열이나 풍력에너지도 마찬가지다. 어떠한 자원도 충분하지 않은 한국이나 일본에 바닷물에서 연료를 구할 수 있는 핵융합에너지는 매우 매력적인 에너지원이다.
◇골드스톤 교수=간단히 핵융합에너지는 딱 두 가지를 필요로 한다. 바닷물과 똑똑한 사람만 있으면 된다. 한국은 이 둘을 다 가지고 있는 것 같다.
◇사회=이제 그럼 핵융합의 상용화에 대해 이야기해보자. 핵융합의 상용화 가능성에 대한 의견들은 어떠한가? 또 앞서 얘기가 나오긴 했지만, 안전성에 대한 의견은 어떠한가?
◇알레잘드레이 사무차장=상용화와 안전성에 관한 두가지 면의 가능성을 모두 현재 진행되고 있는 ITER가 보여주고 있다. ITER는 핵융합의 상용화 가능성을 증명하는 장치이다. 500㎿ 규모의 핵융합 실험로는 핵융합으로 실제 대용량의 에너지 생산이 가능함을 증명할 것이다. 또 하나, 안전성에 관해서는 ITER는 매우 엄격한 법률을 따르는 프랑스에 건설하고 있다. 우리는 이미 핵융합의 안전성을 증명할 수 있는 5000 페이지가 넘는 연구 보고서를 만들었다. 안전성의 증명은 연구자들과 지역 주민들 두 그룹을 모두 만족시킬 수 있는 결과이어야만 한다. 핵융합이 과학적 단계를 넘어 산업단계까지 가기 위해서 반드시 필요한 것은 지역주민들의 수용성이다. 그들이 사는 지역에 기꺼이 건설될 수 있도록 허락받기 위해서는 핵융합의 근원적인 안전성을 알려야 한다.
◇골드스톤 교수=핵융합발전소는 기본적으로 안전하다. 단 1분 정도 운전에 필요한 연료만이 내부에 있을 뿐이다. 핵융합은 아무리 어리석은 짓을 해도 심각한 사고가 날 가능성이 없다.
◇파멜라 사업단장=폐기물 분야에 대해서도 덧붙이고 싶다. 핵분열의 경우는 반응의 결과물이 방사성 물질이다. 핵융합 반응의 경우 나오는 결과물인 헬륨은 매우 안정적인 물질이다. 터지거나 연쇄반응이 일어나는 방사성 물질이 아니다. 다만 핵융합이 일어나는 핵융합로 내부 용기의 일부분은 방사화 되지만, 이는 몇 십년 안에 독성이 사라지는 폐기물에 불과하다. 또한 핵융합로 내부를 어떠한 물질로 결정하느냐에 따라 독성은 더 줄어 들 수도 있다. 이는 핵융합의 매우 중요한 특징 중 하나이다.
◇카울리 소장=유럽에서는 핵융합 발전 비용이 얼마가 될지 산정하고 있다. 현재의 기술로 산정한다면 1㎾당 5유로 50센트 정도로 예상한다. 핵융합 발전 단가가 얼마가 될지 정확히 알 수 없지만, 분명한 것은 그 가격은 계속해서 내려갈 것이라는 것이다. 그리고 그 금액이 적정 가격이 되었을 때 상용화되는 것이다. 이는 지금부터 400년 후의 일이 아니다. 곧 일어날 것이다.
◇알레잘드레이 사무차장=나는 유럽인이지만, 핵융합실증로는 여러개가 지어지겠지만 아무래도 첫 번째는 한국을 포함해 아시아 어딘가에 생길 것으로 예측한다.
◇사회=아시아는 보유한 에너지는 부족하지만 수요는 계속 늘어가고 있는 곳이다. 중국이나 인도는 엄청나게 큰 에너지 시장이다. 핵융합에너지가 상용화 되면 그곳이 엄청나게 큰 시장이 될 것이다. 지금까지 우리가 핵융합의 상용화와 안정성에 대해 이야기 했는데, 전세계 기술 수준은 어느정도로 보나. 핵융합 상용화를 이루기 위해 무엇이 더 필요한가. 더불어 KSTAR를 비롯한 한국의 핵융합 연구 수준에 대해서도 평가해달라.
◇카울리 소장=핵융합 분야는 발전 폭이 엄청크다. 20년전에는 계산할 수 없었던 부분이 이제는 가능해졌고, 이를 가능하게 하는 장비들이 생겨났다 우리는 토마스 에디슨처럼 다른 것을 만들어 낼 수는 없지만, 컴퓨터를 이용해 많은 것들을 예측할 수 있게 됐다. ITER가 500㎿의 에너지를 발생할 것이라는 것을 우리는 시뮬레이션을 통해 계산해보면 안다. 이를 통해 보면 핵융합 장치는 선진화된 토카막형태로 가고 있다. 선진화된 토카막장치로서 KSTAR는 그 중 핵심 장치이다.
인류가 처음 비행기를 만들 때를 생각해보자. 인류가 처음 비행기를 만들 때의 목적은 더 멀리 날아가게 하는 것이었다. 마찬가지로 핵융합도 더 오래 지속하도록 노력해 연속 운전이 가능하게 되는 것이 2020년 ITER에서 이루어질 것으로 보고 있다.
핵융합 상용화는 연속운전 뿐 아니라 재료면에서도 이루어야 한다. 우리는 핵융합 반응에서 나오는 중성자를 오랫동안 마주해도 괜찮은 저방사화 재료를 개발해야 한다. 특히 리튬으로부터 삼중숭소를 만들어 낼 수 있는 블랑켓 개발에 노력하고 있다. 우리는 여러개의 테스트용 블랑켓 모듈을 개발해 ITER에 적용, 가장 기능적인 형태를 찾아낼 것이다.
◇알레잘드레이 사무차장=ITER에 있어서도 KSTAR는 매우 중요한 장치이다. ITER는 대형 실험로이기에 실험에 많은 비용을 필요로 한다. 하지만 효율적 사이즈인 KSTAR를 활용해 사전에 실험을 진행하고 더 좋은 아이디어를 찾아내고 이를 ITER에 적용하면 서로 윈윈할 수 있다.
◇사회=KSTAR 건설 목적은 2가지가 있다. 먼저 우리는 ITER에 참여하기 위해 설계와 기술 능력을 준비해야만 했다. 한국은 이런 하드웨어적인 능력이 뛰지만, 핵융합 분야에서는 한번도 이를 증명할 사례가 없었다. 이에 ITER에 가입하기 위해서는 핵융합 기술 능력을 증명해야만 하는데 우리는 그런 기록들이 없었다. 그래서 우리는 많은 산업체와 함께 KSTAR를 완성해 가고 있다. 우리는 큰기업 보다 작지만 높은 기술을 가진 업체를 많이 참여시켰다. 더 중요한 목적은 ITER에 참여할 수 있는 핵융합 전문가 양성이 필요했다. 우리는 핵융합 과학자들이 많지 않았기 때문에 우리만의 연구의 장을 만들 필요성이 있다.
이와 함께 카롤로스가 언급한 것처럼 ITER가 건설되기 까지 운영될 수 있는 선진화된 핵융합장치가 많지 않다. 우리는 현재 ITER 참여국들에게 KSTAR를 활용할 기회를 제공하고 있다. ITER 운전에는 엄청난 비용이 필요하기 때문에 KSTAR와 같은 합리적인 비용이 들어가는 장치로 사전 실험을 해 정부의 비용 절감도 이루어갈 것이다.
◇골드스톤 교수=현재 유럽과 미국의 대부분의 장치들은 플라즈마를 5~10초 발생하는 정도의 성능을 가지고 있다. 하지만 KSTAR는 300초의 플라즈마 발생이 목표 성능이다. ITER가 운전단계에 들어가기 전까지 사전 실험을 통해 아이디어를 나눌 수 있는 장치는 KSTAR이다. KSTAR는 진정한 장시간 플라즈마 유지에 관한 연구를 할 수 있는 장치이다. 어떤 사람들은 5분 가량의 플라즈마 발생 결과를 비하하지만, 이는 핵융합 발전 가능성을 보여주는 중요한 증거이다.
◇사회=KSTAR는 ITER 참여국들에게 오픈되어 있다. KSTAR 실험에 함께 참여하고, 또 원격 실험으로도 참여가 가능하다. 이미 미국 제네럴 오토믹스, 프린스턴 대학, 일본의 JAEA, 또 ITER 국제기구와도 함께 연구하고 있다. ITER사람들을 초청해서 함께 하고 싶다. ITER 운전을 함께 준비하고, ITER 운전에 필요한 시나리오를 KSTAR에서 먼저 적용해 어떤 것이 최상의 시나리오 인지 찾을 수 있을 것이다.
그러면 이제 핵융합 상용화를 이루기 위해 우리에게 남아있는 과제는 무엇이 있을까?
◇파멜라 사업단장=핵융합 상용화를 이루기 위해서는 앞에서도 언급했듯이 핵융합 재료의 개발이 필요하다. 이는 매우 중요한 분야이며 이를 해결하기 위해 현재 유럽과 일본이 공동으로 진행하고 있는 IFMIF(국제핵융합재료조사장치) 프로젝트 역시 조만간 국제적인 차원에서 진행 될 것으로 보고 있다. 한국 역시 우리의 파트너가 될 수 있다고 생각한다.
◇카울리 소장=내 생각에는 블랭킷 개발이 중요하다. 블랭킷의 원자로만큼이나 복잡하다. 블랑켓은 삼중수소의 생산과 더불어 핵융합에 의해 나오는 중성자의 운동에너지를 열로 바꾸어 주는 역할을 한다. 원자로가 그러했던 것처럼 여러 블랑켓 형태가 개발될 것이고 가장 적정한 블랑켓의 형태로 결정될 것이다. 이 적정한 블랑켓을 개발하는 나라가 성공할 것이고, 많은 돈을 벌게 될 것이다.
◇사회=한국의 경우 핵융합분야와 원자력 분야의 관계가 좋다. 두 분야는 경쟁적이기도 하지만 상호보완적이기도 하다. 알다시피 한국에서는 GENⅣ가 개발되고 있고 여기에 사용되는 첨단 기술들은 블랑켓 기술과 똑같지는 많지만, 모델링, 컴퓨터 시스템 등 많은 부분에서 유사하다. 한국은 이미 GENⅣ 개발에 있어 상당한 성과를 냈다.
◇사회=핵융합 말고도 인류의 대체 에너지가 될 수 있는 그린에너지가 있다고 보는가?
◇골드스톤 교수=신재생에너지는 세계 어디에서나 이루어질 수 없다는 단점을 가지고 있다. 한국과 같은 경우에는 충분한 국토가 없으므로 태양열같은 넒은 대지를 필요로하는 에너지의 활용은 어려울 것이다. 유럽은 북아프리카에서 풍력으로 전기를 생산하려는 계획을 가지고 있지만, 언제나 친구가 되는 지역이 아닌 곳에서 에너지를 얻는 것에 대해서는 매우 신중해야한다. 여러 가지 상황을 봤을 때 가장 가능성이 높은 것은 역시 원자력이나 핵융합과 같은 핵에너지이라는 것을 알 수 있을 것이다.
◇파멜라 사업단장=하나의 해결책만을 가져서는 안된다. 여러 가능성있는 에너지들을 함께 사용해야 한다. 그린에너지는 지속적이어야만 한다. 안정된 미래 에너지 공급을 위해서는 가능한 모든 에너지를 혼합해 사용해야만 한다. 원자력은 연료 재처리를 할 경우 수천년 사용할 수 있고, 핵융합의 경우는 수백만년을 사용할 수 있다. 에너지가 상용화되는 것은 그 에너지가 필요한 시점이다. 새로운 에너지 개발을 위해서는 그만큼의 필요성이 있어야 한다. 에너지 효율을 최적화 할 수 있는 스마트 그리드의 개발 등도 중요한 요소이다.
◇카울리 소장=만약 장기로 본다면 화석연료는 시간이 얼마 남지 않았다. 영국의 경우 재생에너지 개발에 많은 노력을 하고 있다. 특히 풍력에 굉장히 많은 노력을 쏟으나 여전히 비싼 가격으로 항상 얻을 수도 없는 것이다 영국은 굉장히 바람 많이 부는 지역으로, 전체 에너지사용의 최대 15% 까지 풍력으로 공급할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 현재는 그 이하다. 장기적으로 봤을 때 에너지 생산의 80%~85%는 재생에너지가 아니라 원자력 또는 핵융합이 담당할 것으로 보인다.
◇알레잘드레이 사무차장=스페인은 에너지의 25~26%를 풍력으로 공급한다. 매우 큰 비중이다. 그러나 실제적으로 겨울이나 여름처럼 전력이 가장 많이 필요한 시기에는 바람이 없어 풍력에 의한 전력 생산은 거의 없다고 봐야 한다. 결과적으로 미래 에너지로는 태양에너지와 핵에너지가 될 것이라고 본다.
◇사회=한국에서는 여전히 상온 핵융합의 가능성에 대한 논란이 있다. 이에 대한 의견은 어떠한가?
◇골드스톤 교수=처음 상온 핵융합에 기록이 나왔을 때는 정말 놀라웠다. 그러나 그 결과에 대해 과학적인 이해를 하기 위해서는 이를 뒷받침할 수 있는 충분한 근거가 있어야 한다. 그 증명을 위해 많은 과학자들이 노력했지만 아무 것도 일어나지 않았다. 처음 발견했을 때는 핵융합이 이렇게 쉽게 일어날 수 있다는 것에 대해 흥분 했었지만, 그러나 자세히 살펴본 결과 그런 과정을 실제로 일어나지 않았다는 것이 드러났다.
◇이경수=원자력이 그린 에너지라 여기는가? 지금까지의 원자력에 대한 평가와 미래 비전을 어떻게 보는가?
◇파멜라 사업단장=원자력은 그린에너지다. 물론 잘 관리가 되어질 때를 말한다. 지금처럼 유지하고 있는 안전 규제가 계속 이어진다면 위험한 사고는 일어나지 않을 것이다. 누군가 나에게 이산화탄소 포집 시설 위에 살것이냐고 물으면 아니라고 답하겠지만, 원자력폐기물 위의 땅에 살라고 하면 예스라고 하겠다. 그만큼 안전에 대해 확신하기 때문이다. 단한가지 사람들이 두려워하는 문제는 폐기물이다. 화학이나 다른 산업에 비해 적고 위험이 그리 크지 않다. 그러기에 원자력 또한 그린에너지이다.
◇카울리 소장=지금 개발하고 있는 GENⅣ 같은 경우 미래에너지 해결에 중요한 역할을 할 수 있다. 중요한 것은 우리는 지금 원자력이 필요하다는 것이다. 왜나하면 핵융합이 상용화 될 때까지 인류를 이끌어갈 에너지가 필요하기 때문이다. 물론 핵융합이 상용화 된다면 원자력보다 핵융합을 선호하게 될 것이다.
◇사회=핵융합은 약속이고 꿈이다. 인류의 미래를 위해 반드시 이루어야만 하는 것이다. 반면에 원자력은 실제이고 지금 사용하고 있다. 이를 부정하지 않는다. 한국의 2030년대 에너지 생산 계획을 보면 원자력을 30%, 하이드로와 신재생에너지를 합해 15%로 비율을 높이려 하는 것을 볼 수 있다. 즉 45%는 이산화탄소가 없다. 그러나 나머지 55%는 여전히 이산화탄소를 발생하는 화석연료에 의존하는 것이다. 핵융합이 상용화되면 화석연료를 먼저 대체하여야 한다고 생각한다. 원자력을 대체하는 것이 아니라 원자력과 핵융합 그리고 태양에너지 세 개가 모두 대체에너지로 활용되어야 한다고 본다.
◇골드스톤 교수=나는 조금 다른 생각을 가지고 있다. 핵무기와의 관련성을 생각하지 않을 수 없다. 원자력 관련 규제에 대한 고민들이 핵무기와의 연관에 대해 생각해야만 한다. 통제에 대한 고민을 해야한다. 이것은 도전적이고 어려운 문제다.
◇카울리 소장=우리 모두는 핵융합, 원자력, 태양에너지가 가장 핵심적인 그린에너지라는 것에 동의하고 있다. 이 셋 중에 어느 하나도 아직 장담된 해결책은 없다. 이 세 가지 분야는 모두 연구대상이고, 이중 어느 하나에 국한해 투자하는 것은 절대 효율적인 것은 아니다.
정리=박희범기자 hbpark@etnews.co.kr
