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핵융합발전 미래를 책임질 꿈의 에너지

by wavemaster 2022. 11. 24.
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1. 핵융합에너지란 무엇인가

원자력 발전소 사고 이후 안전성 문제가 대두되면서 신재생에너지 산업이 빠르게 성장하고 있습니다. 태양광발전, 풍력발전 그리고 바이오매스 등 기존 에너지원 대비 친환경성과 경제성이 높은 분야로의 기술 개발이 활발히 진행되고 있으며 실제로도 상당 부분 성과를 내고 있습니다. 하지만 여전히 우리나라 전체 전력량의 4% 수준밖에 되지 않습니다. 이러한 상황에서 새로운 대안으로 떠오른 차세대 에너지원이 바로 핵융합 에너지입니다. 태양보다 훨씬 더 큰 질량을 가진 별 내부에서 일어나는 핵융합 반응을 지구상에서도 실현 가능하도록 하는 원리인데 아직 상용화 단계까지는 갈 길이 멀지만 그럼에도 불구하고 연구개발 및 지원 정책들은 계속해서 이루어지고 있습니다. 그렇다면 앞으로 핵융합 에너지는 어떻게 활용될 수 있을지 알아보겠습니다. 우선 원료 수급 측면에서 유리합니다. 바닷물 1 리터면 석유 8톤 정도의 에너지를 얻을 수 있다고 합니다. 뿐만 아니라무한정 사용 가능하다는 장점도 있습니다. 화석연료나 우라늄과는 달리 고갈되지 않기 때문입니다. 또 온실가스 배출이 거의 없고 방사능 오염 위험도 없습니다. 따라서 환경오염 걱정 없이 안심하고 쓸 수 있다는 이점이 있습니다. 다만 현재로서는 효율성이 낮다는 단점이 있습니다. 고온의 플라스마 상태에서만 발생하는데 온도를 높이는데 한계가 있기 때문입니다. 다행히 국제 핵융합 실험로(ITER) 프로젝트를 통해 해결책을 모색하고 있으니 머지않아 좋은 소식이 들려오지 않을까 싶습니다.

 

2. 인공태양을 향한 힘찬 발걸음 

우리나라 연구진이 핵융합 에너지 상용화 핵심 기술인 ‘플라스마’ 발생 실험에 성공했다는 소식이 전해졌습니다. 플라스마는 고체, 액체, 기체 상태 이외의 물질로 이온핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체입니다. 태양처럼 스스로 빛을 내는 별들은 모두 수소 원자 4개가 결합된 헬륨 플라스마 상태이며 지구도 마찬가지입니다. 이러한 원리를 이용하여 물을 전기 분해하면 수소와 산소를 얻을 수 있고, 반대로 수소와 산소를 반응시키면 열에너지를 만들 수 있습니다. 바로 이것이 핵융합 발전 방식입니다. 현재 인류가 활용할 수 있는 에너지원 중 고갈될 염려가 없는 유일한 방법이기도 합니다. 하지만 아직 해결해야 할 문제들이 남아있습니다. 무엇보다 경제성 확보가 급선무입니다. 화석연료나 원자력발전소 대비 생산 단가가 높고 폐기물 처리 비용 또한 상당하기 때문입니다. 앞으로 꾸준한 연구개발을 통해 반드시 미래 세대엔 현실 가능한 꿈같은 이야기가 될 것입니다. 그리고 한 노벨 물리학상 수상자가 발표됐습니다. 미국 프린스턴 대학의 사울레스 교수와 영국 케임브리지 대학의 카블리 교수가 공동 수상했는데 놀랍게도 역대 최연소 기록이었습니다. 이번 성과는 인공태양 개발 프로젝트인 국제 핵융합 실험로(ITER) 건설 과정에서 이뤄낸 성과라는데 더욱 주목할 만합니다. ITER는 프랑스 남부 카다라쉬 지역에 약 7조 원을 들여 짓고 있는 초대형 과학 프로젝트인데 2025년 완공 예정입니다. 만약 계획대로 진행된다면 2050년경 세계 최초로 핵융합 발전소 가동이 가능하다고 합니다. 물론 넘어야 할 산이 많지만 머지않아 실현될지도 모른다는 희망이 생깁니다. 부디 하루빨리 그날이 오기를 간절히 소망해봅니다.

 

3. 플라스마 연구와 활용

고체, 액체, 기체 외 다른 물질 상태가 바로 ‘플라스마’입니다. 흔히 우리가 알고 있는 번개나 오로라 같은 현상 모두 플라스마라고 할 수 있습니다. 그렇다면 현재 과학기술로는 플라스마를 만들 수 없는 것인지 그리고 만약 가능하다면 어떻게 활용할 수 있을지 알아보겠습니다. 일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 세 가지로 구분됩니다. 이것들은 각각 분자 간 인력(끌어당기는 힘) 정도에 따라 결정되는데 온도가 높을수록 인력이 약해져 자유롭게 움직일 수 있게 됩니다. 따라서 높은 온도일수록 더 낮은 압력 하에서 쉽게 기체 형태로 변할 수 있습니다. 반대로 저온에서는 분자 간 인력이 강해져서 서로 끌어당겨 잘 움직이지 못합니다. 그렇기 때문에 상온 이상의 고온에서만 기체 화가 가능해집니다. 물론 예외도 있습니다. 우주 공간에서처럼 초고온·초고압 환경에서는 모든 물질이 이온화되어 플라스마 상태가 되기도 합니다. 이때는 전기 전도체로서 기능하는데 덕분에 다양한 산업 분야에서 응용되고 있습니다. 삼성전자를 예로 들어보자면 기존 반도체 공정에서는 실리콘 웨이퍼 위에 회로 패턴을 새겨 넣기 위해 빛을 이용하는데, 이때 필요한 광원으로는 주로 자외선 또는 적외선이 쓰입니다. 하지만 이러한 광원들은 파장 길이가 길기 때문에 회로의 폭이 미세해질수록 원하는 위치에 도달하기 어려워지는 문제가 발생합니다. 따라서 이를 해결하기 위해 보다 짧은 파장의 광원을 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 현재로서는 엑시머 레이저가 가장 적합한 후보로 꼽히고 있습니다. 다만 엑시머 레이저는 가격이 매우 비싸고 장비도 복잡하다는 단점이 있어 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 반면 플라즈모닉 구조체는 단순한 평면형 도파로 구성돼 있기 때문에 상대적으로 제작비용이 저렴하고 크기도 작게 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 복잡한 광학 설계나 가공 과정 없이 간단하게 구현할 수 있어서 대면적으로도 제작이 가능합니다.

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