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실현의 열쇠를 쥐고 있는 국제 열핵융합 실험로

인류의 에너지 문제를 해결할 것으로 기대되고 있는 핵융합 발전(核融合發電)의 실용화는 2050년경으로 생각되고 있다.

핵융합 발전이 실용화되면 현재의 원자력 발전을 대신하게 될 것이다. 핵융합 발전을 2050년까지 실용화하는 일은 정말로 가능한 것인가?

실용화의 열쇠를 쥐고 있는 국제 열핵융합 실험로(ITER)의 설계는 미국·일본·유럽연합·러시아에 의하여 진행되어 왔다. 설계는 1998년에 끝나게 될 예정이다. ITER의 건설지는 아직 미정이어서 각국에서 유치 경쟁이 한창이다.

핵융합의 매커니즘과 안정성에서 ITER등 최근의 개발 상황일지를 소개한다.

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 인류는 에너지를 사용하면서 번영해 왔다. 그 가운데서도 전기 에너지는 매우 편리하다. 현재의 대표적인 발전 방식은 화력 발전이다. 그러나 연료인 석유나 석탄, 천연 가스 등을 태우면 이산화탄소( CO₂)가 발생되므로 지구 온난화를 가속시킨다. 원자력 발전은 이산화탄소는 발생시키지 않지만 다양한 문제가 지적되고 있어서 원자력 발전소를 많이 건설하기는 어렵다. 여기서는 21세기의 에너지원으로서 기대를 모으는 핵융합 발전의 개발에 대하여 살펴보자.

-이용 가능한 핵융합이란?

 우주 탄생 이래, 핵융합 반응에 의하여 가벼운 원자핵이 서로 결합하여 무거운 원자핵으로 합성되어, 오늘날과 같은 다양한 종류의 원소가 완성되었다. 지금도 태양과 같은 항성 내부에서는 가벼운 원자핵이 핵융합 반응을 일으켜 무거운 원자핵으로 변환되고, 그 때 발생하는 방대한 에너지가 우주 공간으로 방출되고 있다. 핵융합 후에 생기는 원자핵의 질량은 반응 전의 원자핵의 질량의 합계보다도 가벼워진다. 그 가벼워진 질량만큼이 에너지로 변환을 한 것이다. 태양은 그야말로 천연의 핵융합로인 것이다.

 핵융합 반응에는 다양한 종류가 있다. 우리가 지상에서 에너지원으로서 이용할 수 있는 것은 어떤 핵융합 반응일까?

 발전에 이용하기 위해서는 무엇보다 연료 자원이 풍부해야 한다. 풍부하다 하더라도 세계 일부의 나라에서만 산출되는 것보다는 어느 곳에서나 구할 수 있는 것이 필요하다.

 다음으로 연료가 타기 쉬운 것이 아니면 즉, 핵융합 반응이 쉽게 일어나지 않으면 발전 기술은 그만큼 어려워지고, 핵융합로의 실현은 더욱 멀어진다. 또 중대한 환경 문제나 사회 문제를 일으키거나 경제적으로 전혀 수지가 맞지 않는 발전 기술은 널리 보급되지 못할 것이다.

 이들 기준에서 제한하면 이용할 수 있는 핵융합 반응은 아주 조금밖에 되지 않는다. 그 중에서 바닷물 등에 대량으로 함유되어 있는 중수소(D : Deuterium)과 삼중 수소(T : Tritium)에 의한 핵융합은 가장 일어나기 쉬운 핵융합 반응이다.

 이 반응에서는 양성자 하나와 중성자 하나로 이루어진 중수소의 원자핵이 융합하여 질량수가 5인 불안정한 헬륨(^5He)의 원자핵이 생긴다. 질량수란 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자 수의 합이다. 질량수가 5인 헬륨 원자핵은 곧 붕괴하여 질량수가 4인 헬륨(^4He) 원자핵(α입자)과 중성자 하나로 갈라진다. 이 반응을 \'DT 반응\' 이라고 한다.

 DT 반응을 이용하는 핵융합로는 기술적으로 가장 쉬우므로 최초의 핵융합로는 DT 융합로가 될 것이다. DT반응의 결과로 중수소와 삼중 수소의 원자핵에 갖혀 있는 핵에너지가 일부 해방되어 중성자와 α(알파) 입자의 운동 에너지 형태로 나오게 된다. 이들 입자는 주위의 벽 등에 충돌하여 에너지를 잃고 운동 에너지는 벽의 열에너지로 바뀐다. 발전(發電)을 하기 위해서는 이 열에너지로 증기를 발생시켜 증기의 압력으로 발전기를 돌리는 것이다.

 중수소와 삼중 수소의 원자핵은 중성자의 수는 다르나 양성자의 수는 1개뿐이므로, 질량수는 달라도 수소 원자핵(양성자) 의 무리이다. 중수소의 원자핵은 수소의 원자핵에 대하여 6500분의 1의 비율로 물에 포함되어 있다. 물은 바닷물을 비롯하여 지상에 얼마든지 있으므로, 우리가 구할 수 있는 중수소 원자핵의 양은 방대하기만 하다.

 한편 삼중 수소의 원자핵은 자연계에는 극히 미량밖에 없지만, 바닷물 등에 대량으로 포함되어 있는 리튬(Li)과 DT 반응에서 발생하는 중성자를 핵반응시키면 간단히 생긴다. 그래서 DT 핵융합로에서는 노(爐)의 중심을 리튬의 블랭킷으로 둘러싸고 에너지 발생과 동시에 삼중 수소의 원자핵을 생산하는 것이다.

-핵융합은 안전한가?

 삼중 수소의 원자핵은 그 반감기가 12.3년의 방사성 물질로, 취급하는 데 주의해야 한다. 반감기란 방사성 물질이 가지는 방사능의 세기가 원래의 절반이 될 때까지 소요되는 시간이다. 또 DT 반응에 의해 발생되는 중성자는 주위의 벽을 방사화시키는 성질이 있으므로 방사화의 양이 적은 재료를 선택해야 한다.

 핵융합로는 원자로에 비하여 방사능의 종류가 적고 발생하는 방사능의 수명도 짧다. 이를테면 원자로의 연료나 다 타고 난 재에 포함된 ^235U(우라늄 235)의 반감기는 7억 380만 년이다. 한편 나중에 언급할 국제 열핵융합 실험로(ITER)라고 하는 장치에서 발생하는 방사는은 약 100년으로 극히 낮은 수준까지 급속히 감소된다. 핵융합로는 원자로에 비하여 상대적으로 훨씬 안정적이지만 역시 세심한 주의가 필요하다.

 앞으로 기술이 좀더 발전하면 DT 핵융합로 이외의 핵융합로가 실현될 것이다. 중수소의 원자핵을 서로 융합시키는 DD 핵융합로에서는, 방사성 물질인 삼중 수소의 원자핵을 생산할 필요가 없으며 연료는 한없이 많다.

 물 1l에 포함되어 있는 중수소의 원자핵이 핵융합 반응을 함으로써 얻을 수 있는 에너지는 거의 등유 300l를 태울 때에 얻을 수 있는 에너지에 해당한다. 핵융합 에너지는 헤아릴 수 없을 정도로 풍부하다. 인류의 지나친 에너지 사용은 생태계를 파괴시켜 자멸하는 결과를 낳으므로 에너지의 연간 사용량에는 한도가 있다는 것을 고려하면, 인류는 미래 영겁(未來永劫) 좀더 가까운 100만 년 이상은 에너지 걱정을 하지 않아도 될 것이다. 물은 세계 대부분의 지역에서 아직은 구할 수 있기 때문에 에너지 자원을 둘러싸고 벌이는 국제적 긴장도 해소시킬 것이다.

 핵융합 발전에서는 발전소의 건설비는 높아지지만 연료는 저렴하다. 핵융합 발전은 많은 이점이 있기 때문에 앞으로 원자력 발전을 대신하게 될 것이다. 원자력 발전에 비하면 핵융합 발전의 건설비는 높다. 그러나 오랜 기간 방사능에 대한 관리나 핵확산의 위협, 핵연료나 핵폐기물의 수송에 따른 위험 관리 등, 원자력 발전니 안고 있는 대부분의 문제점을 핵융합 발전에서는 면할 수 있다. 그래서 핵융합 기술이 다른 나라에 공여되거나, 경제 발전이 진행되고 있는 도상국에 여러 개의 핵융합 발전소가 건설되어도 이웃 나라에서 국제 문제로 발전시킬 가능성도 없다.

-플라스마를 자기장에서 가둔다.

 양의 전하를 가진 원자핵끼리 융합시키려면 원자핵끼리를 고에너지 상태에서 충돌시켜야 한다. DT 핵융합로에서는 연료의 온도가 1억 K (절대온도)를 넘는 \'플라스마\' 상태로 되어 있다. 물질은 온도가 상승함에 따라 고체에서 액체, 기체가 되고 마침내 플라스마 상태가 된다. 플라스마 상태에서는 물질을 구성하는 원자 내의 전자가 벗겨져 뿔뿔이 흩어진 원자핵과 전자가 제멋대로 날아다닌다.

 이렇게 DT 핵융합로에서는 중수소와 삼중 수소의 원자핵이 맹렬한 속도로 날아다니고, 서로가 충돌하여 핵융합 반응이 일어난다. 이 때 1억 K가 넘는 플라스마가 주위를 둘러싸고 있는 벽에 닿으면 벽의 일부가 녹아 버린다. 그래서 자기장을 이용하여 플라스마를 벽에서 떨어지게 하여 진공 중에 떠 있게 해 두는 것이다. 만일 실패하여 플라스마가 벽에 닿아 증발한 벽의 재료가 아무리 작은 양이더라도 플라스마에 섞이거나 하면 온도가 일시에 내려가서 핵융합 반응은 곧 정지하고 만다. 이것은 핵융합로가 원리적으로는 폭발을 하지 않는다는 것을 의미하여 안전상 특별한 장점으로 작용한다.

 고온 플라스마를 자기장으로 가두는 일은 연구자들에게는 예상 외로 어려운 작업이었다. 핵융합 연구가 시작된지도 거의 반세기 가까이나 되지만, 연구의 대부분은 플라스마의 복잡한 움직임을 이해하는 데 소비되었다. 그 결과 마침내 플라스마를 안정적으로 공중에 떠 있게 하기 위한 제어 기술의 전망이 밝아졌다.

 다음은 실제로 핵융합으로 연소되고 있는 플라스마에 과연 이 기술이 통할지의 여부를 확인하는 일이 남아 있다. ITER이라는 장치는 이 목적에 맞도록 계획되고 있다.

 핵융합로에서는 플라스마를 자기장으로 가둘 수 있는 방식 이외에 레이저 빔이나 입자 빔으로 연료를 일시에 고온 플라스마로 바꾸고, 짧은 시간에 대량의 핵융합 반응을 일으키는 유형의 노(爐)의 개발도 실시되고 있다. 이 때 매회 플라스마가 흩어져 버리기 때문에 동일한 운전이 되풀이된다.

 고온 플라스마를 유지하기 위해서는 큰 전력이 필요하다. 그래서 핵융합 발전소에서 나오는 전력의 일부를 플라스마에 되돌림으로써 계속해서 연소시킨다. 다시 말해서 핵융합 발전은 전력을 사용하여 이보다 훨씬 큰 전력을 발생시키는 \'전력증폭기(電力增幅器)\'이다.

 화력 발전 등에서는 최초에 연료를 점화시키면 그 다음은 자동적으로 계속 타므로 그 이상 연료에 에너지를 추가하지 않아도 에너지가 나오게 된다. 이것을 \'자기 점화\'라고 한다. 자기 점회에서는 입력이 0이라도 출력이 있으므로 증폭률은 무한대이다. 핵융합로에서도 핵융합 반응에서 나오는 에너지가 노심(爐心)의 플라스마에 보급하는 에너지에 비해 충분히 크다면 사실상 자기 점화 조건을 달성하였다고 할 수 있다.

 이에 대하여 입력 에너지와 출력 에너지가 같은 경우를 \'영(0)출력 조건\'이라 부른다. 현재의 핵융합 기술은 영출력 조건이 달성된 단계이다. 더불어 가까운 장래에 이루어질 자기 점화 조건을 만족하는 장치가 바로 ITER이다.

-핵융합 개발의 최전선

 핵융합 개발에는 플라스마 물리학을 비롯하려 광범위한 학문 분야가 관계되어 있다. 핵융합 연구 장치는 초고온 기술, 초고진공 기술, 강자기장 발생 기술 등 현대의 최첨단 기술이 응용되는 대형 설비이다. 핵융합에서 개발된 기술의 대부분은 산업계에 파급되고, 이미 가정에 보급된 것도 있다.

 유럽연합(EU)이 개발한 JET(Joint European Torus)는 일본 원자력연구소의 JT-60U와 함께 영(0) 출력 조건에 처음으로 성공한 장치이다. JT-60U의 플라스마는 강력한 입자 빔과 전자기파에 의한 가열에 의하여 온도가 4억 K를 넘었다. 이것은 세계 기록으로 태양 중심부 온도의 25배를 넘는다. 핵융합 개발에서는 \'지상에 태양을!\' 이라는 슬로건을 내걸고 있지만 이 온도는 태양의 온도를 훨씬 넘어선 것이다.

 대형 핼리컬 장치(LHD)는 일본의 핵융합 연구소에 건설중인 핵융합로이다. 나선 모양의 초전도 코일이 만드는 자기장으로 플라스마를 가둔다. JT-60U와 JET와는 원리적으로 다르며 이들보다도 뛰어난 면을 갖추고 있기 때문에, 세계의 연구자들이 1998년 가을의 완성을 기다리고 있다.

-국제 열핵융합 실험로 ITER

 핵융합 개발의 다음 단계에서 필요한 연구는 자기 점화 조건을 달성하고, 그 때 플라스마가 어떻게 움직이는가를 조사하는 일이다. 그와 동시에 이 플라스마를 이용하여 핵융합로의 공학 기술에 관한 데이터를 모으는 일이다. 자기 점화 조건을 만족하는 플라스마는 대량의 중성자를 방출하므로 블랭킷 안에서의 삼중 수소 원자핵의 생성이나 여러 가지 재료의 방사화에 대한 데이터를 얻을 수 있다.

 자기 점화 조건을 만족하는 장치는 영(0)출력 조건에 도달한 JT-60U와 JET에 비하여 훨씬 대형이 될 것이므로, 건설 비용도 높아진다. 그래서 한 나라가 단독으로 건설하기보다는 국제 협력에 의하여 진행시키는 것이 현명하다. 1985년 제네바에서 미·소 수뇌 회담이 있었을 때, 구소련의 고르바초프 대통령이 미국의 레이건 대통령에게 핵융합의 국제 협력을 제안하여 합의를 이루었다. 그 후 유럽연합과 일본에도 협조를 구하여, 1988년에 미국·유럽연합·러시아·일본의 네 나라가 협력하여 핵융합로의 설계 작업을 추진하는 계획이 출발하였다. 설계 작업은 1998년에 완료될 예정이다.

 설계 작업은 미국의 샌디에이고시, 독일의 뮌헨시 근교의 가르힝, 일본 원자력연구소 등 3군데에서 추진되고 있는데, 각각에 4개국의 연구자가 모여 있다. 시차의 관계로 1일 24시간, 휴일을 제외하면 어느 곳에서나 항상 작업이 진행되고 있다고 할 수 있다. 세계 각국의 연구자가 하나의 장치를 설계하기 위해서는 도면의 교환을 비롯하여 정보 전달이 신속히 이루어져야 한다. 통신 기술이 발달된 현대이기 때문에 이러한 공동 설계가 가능한 것이다.

 이 국제적 장치는 \'ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)\'라고 명명되었다. ITER은 국제 핵융합 실험로의 영어의 머릿글자를 딴 것이다. 라틴 어로는 \'길\'을 의미한다. ITER의 원리는 JT-60U나 JET의 원리와 같지만, 그 기원을 밝히면 구소련에서 발명된 \'토카막(Tokamak)\'이라 불리는 것이다. 장치의 높이는 약 20m, 지름 약 30m이며 5만 7000G(가우스)의 자기장에서 플라스마를 가둔다. 플라스마 속을 2100만 A(암페어)의 전류가 지나며 핵융합 반응에 의하여 150만kW의 파워가 발생한다. ITER에서는 자기 점화 조건에 도달한 고온 플라스마의 연구 외에 재료 공학, 안전 공학 등 다음 단계의 핵융합 원형로 설계에 필요한 데이터를 얻기 위한 연구도 진행된다.

 이 장치는 지하 50m의 깊이에 설치된다. 지진이 많은 나라에서도 견딜 수 있는 설계이다. ITER을 어느 곳에 건설하는가는 아직 결정되고 있지 않지만 세계 몇몇 장소에서 유치하려는 움직임이 있다. 어느 나라에 세워져도 세계 각지의 연구소에서 원격 조작으로 실험할 수 있는 매커니즘이 검토되고 있다. ITER은 2009년경부터 운전을 개시할 것을 목표로 삼고 있다.

-핵융합로는 실용화될 수 있는가?

 핵융합 개발 계획 중에서 ITER은 발전을 하지 않는 \'실험로\'이다. 그래서 그 다음은 실제로 발전을 하는 핵융합로가 공학적으로 성립될 수 있는가의 여부를 실증하는 \'원형로\'로 발전한다. 이런 공학적 실증이 끝나면 경제성을 확인하는 \'실증로\'로 옮기게 된다. 최종적인 단계까지 통과되면 핵융합 발전은 실용화가 되는 것이다. 이러한 단계를 거쳐서 \'실용로\'를 가동할 수 있는 시기는 21세기 중엽이 될 것으로 예측하고 있다.

 ITER에서는 150만 kW나  되는 핵융합 출력이 나오므로 이것을 전력으로 변화시킨다면 적어도 50만 kW의 발전이 가능할 것이다. 만일 ITER이 예정된 것 이상으로 순조롭게 진행되고 발전(發電)을 하는 원형로의 역할까지 할 수 있다면 핵융합로의 실용화는 좀더 빨라질 가능성이 높다. 그러나 아직 자기 점화를 하여 핵융합 반응으로 타고 있는 플라스마를 제어한 적이 없어서 낙관적 전망을 할 수 있는 처지는 아니다. 이 불확실성을 극복하기 위해서는 세계의 지혜를 결집한 ITER이 꼭 필요한 것이다.

 ITER이 다음 단계로 나라아가기 위하여 지금 꼭 해야 할 일은 대량의 중성자의 조사(照射)에 견딜 수 있는 재료를 개발하는 일이다. ITER에서 사용되는 재료는 원형로나 실용로에서는 사용할 수 없다. ITER과 같은 재료를 사용하면 장치는 거대해지고 경제성은 약해지기 때문이다. 그래서 ITER의 계획과 병행하여 재료 개발을 진행시키기 위한 국제 프로젝트로 검토되고 있다. 핵융합 개발은 실용화 단계까지는 1세기나 걸리는 장대한 계획이다. 한편  핵융합 개발은 아주 빠르게 질적 · 양적인 면에서 모두 뛰어난 진보를 이루어 왔다.

 그토록 긴 시간과 자금, 그렇게 많은 연구자의 노력을 투입하여도 아직 핵융합 발전의 실용화가 실현되지 못하고 있다는 것은, 플라스마 제어라는 미지의 기술이 얼마나 어려운가를 말해 준다. 그러나 개발의 역사를 돌이켜보면 핵융합 에너지는 틀림없이 꿈이 현실로 바뀌어 세부의 모양이 확실하게 펼쳐질 것이다. 궁극적인 에너지원인 핵융합을 손에 넣기 위해서는 세대를 넘는 연구자의 정열과 국경을 넘는 연구 협력이 반드시 이루어져야 한다.

-1997年 NEWTON(日本 敎育社 發行)

세줄요약:

핵융합 최고다

석유재벌 로비때리지마라 ㅆㅂ놈들

울나라도 조립들어갔다