한국의 KSTAR부터 초국가적 프로젝트 ITER까지
우리나라는 이미 1995년에 핵융합 에너지 개발을 선언하고 한국형 핵융합장치인 ‘KSTAR’(한국 초전도 토카막 개발 연구; Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 건설을 발표했다. 당시는 러시아, 미국, 영국, 그리고 독일만이 핵융합 연구를 위한 장치를 보유하고 있는 상황이었다.
우리나라의 기술 수준으로는 무리라는 부정적인 의견이 나오기도 했으나 2007년 9월 무사히 건설을 마쳤고, KSTAR는 이듬해 시운전 중에 최초로 플라스마 발생 실험에 성공하며 이러한 우려를 불식시켰다. 이후 2018년도 1억도 1.5초 달성, 2020년 20초간 유지, 2021년 30초 유지까지 계속해서 성과를 내고 있다.
특히 지난해 30초 기록은 ‘내부수송장벽(ITB)’이라는 기술 덕분으로, 융합로 내부에 플라스마 장벽을 쌓아 고온을 최대한 유지할 수 있도록 만든 것이다. 연구진은 앞으로 핵융합 반응 과정에서 생성된 헬륨과 같은 불순물을 핵융합로 외부로 배출하는 장치인 ‘디버터’를 설치할 예정이다. 이를 통해 운전 시간을 연장해 2026년에는 1억 도를 300초간 유지할 계획이다.
한국핵융합에너지연구원은 300초 조건을 핵융합 발전소 운영에 필요한 최소 기준으로 보고 있다. 300초를 유지할 수 있다면 핵융합로 내부에서 플라즈마의 움직임을 완벽히 파악하고 제어할 수 있어 대부분의 불안정 요소를 확인할 수 있을 것으로 예상되기 때문이다. 따라서 300초는 핵융합 발전소를 건설해 24시간 365일 발전해도 무리가 없다는 뜻이다.
환상의 에너지로 여겨졌던 핵융합 에너지의 가능성이 눈앞에 다가오자 세계 각국의 정부는 물론 민간 기업도 연구에 뛰어들고 있다. 1951년에 이미 핵융합로를 개발할 만큼 오랜 역사를 지닌 미국은 주로 민관 협력의 형태로 핵융합 연구를 지원 중인데, 재료공학, 시뮬레이션, 플라스마 이론, 관리자 AI 등 핵융합 발전에 필요한 기초 기술 개발에 주력하고 있다.
오래전부터 핵융합 연구를 주도해온 유럽은 2005년부터 프랑스 남부 지방에 ‘ITER(국제 핵융합 실험로)’을 유치하고 건설 비용의 절반을 부담하는 등 적극적으로 핵융합 연구에 나서고 있다. ITER은 수십 년 동안 유럽, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도, 그리고 우리나라가 참여하는 초국가적 프로젝트로 2025년부터 시운전을 시작할 예정이다.
일본은 1998년에 임계 플라스마 실험장치 JT-60을 운행하여 국제 핵융합 실험로 ITER 건설에 필요한 고압력 플라스마를 24초간 유지하는 데 성공했다. 이러한 성과를 바탕으로 작년 3월에는 기존의 핵융합로보다 더 강력한 JT-60SA 건설을 마치고 연구에 박차를 가하고 있다. 100년 후 전 세계 에너지 사용량의 절반을 차지할 것으로 예상되는 인도와 중국도 핵융합 연구를 적극적으로 추진 중이다. 중국은 2008년부터 2015년 사이에 핵융합과 관련한 113개의 프로젝트에 6,400억 원을 지원했으며 앞으로 1조 2천억을 추가로 투자할 예정이다. 이미 1989년에 자체 핵융합로인 ADITYA를 건설하고 운영 중인 인도는 2005년에 추가로 핵융합로 SST-1을 완공해 핵융합 연구를 이어나가고 있다.
글: 이형석 과학칼럼니스트/일러스트: 이명헌 작가
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