토카막(TOKAMAK)은 도넛 모양을 한 핵융합 실험 장치 가운데 하나다. 핵융합 때 플라스마 상태로 변하는 핵융합 발전용 연료 기체를 담아 두는 용기다. 러시아어로 '자기장 코일로 만든 도넛형의 가둠 장치' 앞 글자를 딴 줄임말이다. 가장 처음 만든 국가가 옛 소련이어서 러시아어 이름이 붙었다.
대표하는 토카막으로는 세계 최고 수준을 보이는 초전도 토카막 핵융합 실험로인 대한민국 국가핵융합연구소 'KSTAR', 국제 공동 개발 국제핵융합실험로 'ITER', 일본 'JT-20', 중국 'EAST'가 있다.
토카막은 '꿈의 에너지'로 불리는 핵융합 발전을 위해 필수 존재다. 핵융합 원리는 태양이 타오르는 원리와 같다. 태양은 원자핵과 전자가 분리된 플라스마로 이뤄진 천체다. 양성자로 플러스 상태인 핵과 핵이 서로의 반발력을 이기고 충분히 가까워지면 양자역학의 강력이 작용하면서 핵융합이 일어난다. 이때 질량 결손으로 엄청난 에너지가 나온다.
이를 활용해 수소와 삼중수소를 토카막 진공 용기 내부에 자기장으로 가둬 원자핵들이 충돌해 융합하면서 방출하는 에너지를 얻는 게 핵융합 발전이다.
핵융합 에너지 원료인 수소를 바닷물에서 쉽게 얻을 수 있을 뿐만 아니라 방사선도 발생하지 않는다. 바닷물에 포함된 45조톤 중수소만 있으면 인류가 100억년 이상 사용할 수 있는 에너지를 생산할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이는 태양의 수명보다 길다.
그러나 핵융합이 일어나는 태양 중심 온도는 1500만도인 데 비해 지구에서는 1억도가 넘어야 한다. 지구 중력은 태양에 비해 극히 작아 많은 플라스마를 가둘 수 없기 때문이다. 플라스마끼리 부닥칠 확률이 매우 낮기 때문에 핵융합은 지금껏 실험 단계에 머물고 있다.
최근 중국과학원이 안정된 핵융합 반응을 일으키는 데 필요한 조건인 1억도 이상 초고온 플라스마를 만들어 내는데 성공했다. 1억도는 태양 내부 온도 10배 수준이다. 발열에너지가 10메가와트(MW)를 넘어섰으며, 플라스마 에너지 축적을 300킬로줄(kJ)까지 증가했다. 이런 고온 상태가 장시간 안정을 유지돼야 핵융합 지속 발전이 가능하다.
한국 국가핵융합연구소는 내년에 1억도 플라스마를 만들어 10초 동안 유지하겠다는 계획을 최근 밝힌 바 있다.
이현수기자 hsool@etnews.com