[에듀플러스]이공계 진로 특강〈10〉“핵융합 에너지, 인류위한 지속 가능하고 안전한 에너지원”

국립중앙과학관·에듀플러스 공동 이공계 특강 지상중계
김성국 한국핵융합에너지연구원 책임연구원 ‘핵융합’ 주제 강연

김성국 한국핵융합에너지연구원 책임연구원이 핵융합을 주제로 학생들에게 강의하고 있다.

〈연재순서〉

①2035년 유망 직업·의공학과 빅데이터

②슈퍼컴퓨터를 활용한 공학 시뮬레이션 세계

③위성군단을 이용한 디지털지구 만들기 대작전

④사이버 세상의 보이지 않는 인프라, 인터넷 기술

⑤멀티모달 인공지능의 대모험:세상 밖으로 나아가다!

⑥4차산업혁명의 핵심기술인 이차전지 기술

⑦초고성능 컴퓨팅으로 풀어나가는 은하 형성의 수수께끼

⑧블랙홀을 추적하는 천문학자들

⑨대한민국 달 궤도선 '다누리'-개발과 여정

⑩핵융합과 1억도 플라즈마의 비밀

“멋진 수트를 입고 하늘을 날아다니는 아이언맨. 영화를 본 사람들이라면 누구나 한 번쯤 아이언맨의 수트를 부러워해 본 적이 있을 텐데요. 무적의 아이언맨이 강력한 힘을 낼 수 있는 비결은 심장에 박힌 아크리액터라는 장치로, 수트에 엄청난 에너지의 동력을 공급하죠. 언젠가는 우리도 아이언맨처럼 아크리액터를 소유할 수 있을까요? 꿈같은 공상처럼 들리나요?”

김성국 한국핵융합에너지연구원 책임연구원은 “아크리액터는 소형 핵융합로를 본떠 만든 것으로 핵융합로는 핵융합 반응을 일으킬 수 있도록 만든 장치”라며 “핵융합은 아이언맨 때문에 생긴 단어가 아니라 태양이 빛과 열을 만드는 원리”라고 말했다.

최근 세계적인 이슈로 떠오른 전쟁과 지구온난화는 인류에게 있어 에너지의 중요성을 더욱 고민하게 했다. 세계는 화석에너지 사용을 줄임으로써 탄소배출을 최소화하려고 노력하고 있다. 과정에서 이제는 친숙한 단어가 돼 버린 친환경에너지의 역할이 중요해졌다. 미래 에너지에 관한 연구 및 개발도 활발히 진행된다.

대부분의 친환경에너지원이 그렇듯 지역과 환경에 영향을 받거나 위험에 노출돼 있어 인류는 더 완벽한 에너지원을 끊임없이 갈구한다. 그래서 생각해낸 것이 바로 태양이다. 끊임없이 지속 가능하고 안전한 에너지원인 태양 에너지를 지구에서 만들기로 한 것이다. 그것이 핵융합에너지이고 아이언맨과 같이 에너지원 끝판왕이 될 꿈의 에너지로 불린다.

김 책임연구원은 핵융합에너지를 지구에서 만들기 위해 3가지 조건이 필요하다고 강조했다. 첫 번째는 바로 연료다. 핵융합 연료는 중수소와 삼중수소인데 바닷물에서 무한하게 얻을 수 있다. 전 세계 70% 이상이 바다이므로 첫 번째 조건은 충족한다. 특히 삼면이 바다인 한국은 최적의 조건이다.

두 번째 조건은 온도다. 태양은 중심부 온도가 약 1500만도 정도인데 지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위해 최소 1억도의 온도가 필요하다. 태양의 온도보다 약 7배 이상의 온도가 필요한 이유는 바로 압력 때문이다. 태양의 압력은 2000억 기압이기 때문에 1500만도에서 핵융합 반응이 일어나지만 지구에서는 2000억 기업을 만들 수가 없다. 그래서 압력 대신 온도를 올려 핵융합 반응을 이끌어내기로 했고 그 최소 온도가 1억도이다. 한국은 세계 최초로 플라즈마 이온 온도 1억도를 달성했고 그 이후에도 매년 한국의 기록을 자체 갱신해 세계기록을 보유한다.

마지막으로 세 번째 조건은 장치다. 1억도 이상의 물질을 담아둘 수 있는 물질은 지구상에 존재하지 않는다. 그래서 우리는 1억도 이상의 플라즈마를 공중에 띄우고 도넛 모양으로 용기를 만들어 강한 자기장으로 플라즈마를 감싸서 가두는 방식으로 장치를 만들었다. 이 장치를 토카막이라고 한다. 한국에도 토카막이 있는데 바로 대전의 한국핵융합에너지 연구원에 있는 KSTAR라는 토카막이다. 현재 이 3가지 조건을 만족하기 때문에 우리는 핵융합반응을 지구에서도 일으킬 수 있게 됐다.

하지만 핵융합 반응을 통해 얻어낸 핵융합 에너지를 상용화해 사용하기 위해 1억도의 플라즈마를 최소 300초 이상 연쇄 반응을 할 수 있어야 한다. 한국이 세계 최초로 플라즈마 이온온도 1억도에서 30초 이상 유지를 달성했고 300초 운전을 위한 연구가 지금 진행 중이다. 극한의 한계와 싸우는 연구의 연속이지만 인류를 위해 지속 가능하고 깨끗하고 안전한 에너지원을 위해 끊임없이 노력 중이다.

김 책임연구원은 앞으로 우리가 관심을 가지고 포기하지 않고 노력한다면 반세기 뒤에는 집채만 한 토카막이 아크리액터처럼 작아질 수도 있을 것이라고 예측한다. 그는 “결론적으로 확실한 것은 핵융합에너지는 지구온난화와 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있는 확실한 카드임은 분명하고 고지가 바로 눈앞에 있다”며 “핵융합 연구의 선두 주자인 한국은 핵융합에너지가 상용화된다면 더 이상 에너지 수입국, 해외 의존국이 아닌 에너지 자립국이자 에너지 강국이 될 것”이라고 말했다.

공동기획:에듀플러스·국립중앙과학관

마송은 기자 running@etnews.com