한국의 인공태양 KSTAR ; 핵융합 에너지는 안전하고 친환경적인 미래 에너지로써 많은 선진국들이 개발하고 있는 주요 기술이다.
그중에서도 한국의 초전도 핵융합 연구장치, KSTAR는 첫 가동 이후 꾸준히 세계 신기록을 갱신해가며 그 우수성을 널리 입증해왔다.
특히 9월 8일 국제학술지 네이처(Nature)지에 게재된 새로운 핵융합 운전방식(FIRE모드)는 핵융합에너지연구원과 서울대 공동연구팀이 개발한 것으로 국제적인 이목을 끌었다.
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미래의 희망, 핵융합 에너지란?
지구 모든 생명의 근원인 태양은 중심에서 일어나는 핵융합을 통해 지구는 물론 태양계 곳곳을 비추는 대량의 에너지를 만들어낸다.
가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵이 되는 핵융합반응 과정에서는 줄어든 질량만큼 에너지로 바뀌는데(E=mc²),
태양 역시 수소 원자핵들이 충돌하여 헬륨 원자핵으로 융합되며 발산하는 에너지가 원천이다.
지구에서 실험하는 핵융합 반응은 중수소와 삼중수소의 핵융합반응으로,
엄밀히 따지자면 태양에서 일어나는 핵융합 과정과 조금의 차이는 있지만 같은 원리이다.
이 때문에 핵융합로를 ‘인공태양’이라 부르기도 한다. 지구에서 핵융합 반응을
일으키기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만드는 등 여러 어려움이 있으나,
그럼에도 불구하고 많은 선진국들이 꾸준히 핵융합 에너지 개발에 힘을 쏟고 있다.
지구에서 구현하는 인공태양, 핵융합 반응은 중수소와 삼중수소를 연료로 이용한다.
기존 핵분열 원자력 발전소에 사용되는 희귀원소 우라늄과는 달리, 중수소와 삼중수소는 얻기에 매우 용이하다.
중수소는 바닷물을 전기분해 해서 얻을 수 있고, 삼중수소는 리튬을 핵융합로에 투입시켜(중성자와 반응) 얻을 수 있다.
지구 표면의 70% 이상이 바닷물이며 리튬 또한 매장량이 풍부하다는 것을 고려하면 연료는 거의 무한하다고 할 수 있다.
또한 핵융합 에너지는 온실가스로 인한 환경오염은 물론, 기존 원자력 발전소와는 달리
고준위 방사성 폐기물이나 폭발위험 등이 없는 ‘안전한 녹색에너지’로 각광받고 있다.
한국을 포함 미국, 러시아, 유럽연합, 일본, 중국, 인도 등 핵융합 선진국 7개국은
국제핵융합실험로(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)를 공동으로 개발하는 등 국제적 협력을 통해 개발 및 상용화에 힘쓰고 있다.
한국의 인공태양 KSTAR
특히 에너지 수입의존도가 97% 이상을 차지하는 우리나라의 경우 새로운 에너지원을 개발하고 에너지 기술을 갖는 것이 큰 힘이 될 것으로 전망된다.
기존의 핵융합, 무엇이 문제였나
핵융합로의 기본적인 원리는 ‘토카막’이라는 도넛모양의 진공 용기에 고온의 플라즈마가 안정적으로 유지되도록 제어하는 것이다.
기존에 가장 대표적인 플라즈마 운전 방식은 고성능 플라즈마 운전모드, H-모드(High Confinement mode)이다.
초전도 핵융합장치 중에는 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)가 2010년 세계 최초로 H-모드를 달성한 바 있다.
H-모드는 1982년 독일의 핵융합연구장치(ASDEX) 토카막에서 실험 중,
외벽 근처에서 플라즈마를 가두고 제어하는 성능이 갑자기 2배 이상으로 좋아지는 현상에서 착안했다.
이후 플라즈마의 성능을 획기적으로 끌어올린 H-모드는 핵융합 연구의 새로운 장을 열며 현재까지도 기준 지표로 널리 쓰이고 있다.
