핵융합

○핵융합은 왜 어려울까? - 극한재료

2017.02.09. 10:36

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핵융합 에너지를 ‘꿈의 에너지’라 부르는 데는 두 가지 상반된 이유가 있다. 

하나는 자원의 풍부함, 대용량 발전, 안정성, 친환경성까지 인류가 원하는 미래 에너지의 조건을 완벽히 갖추고 있기

때문이다. 하지만 거꾸로 그만큼의 큰 어려움이 공존한다. 바로 상용화가 힘들다는 점이다. 전 세계 과학자들이 오랜

시간 많은 노력을 기울여왔음에도 불구하고 핵융합 발전으로 가는 길에는 적잖은 난제들이 남아 있다. 꿈의 에너지를

손꼽아 기다리는 독자들을 위해 핵융합 상용화의 미해결 과제들을 주제별로 나누어 알아보는 시리즈를 준비했다. 

극한재료

 인공태양에서 무한대의 청정에너지를 얻으려는 인류의 도전은 과학적으로 이미 많은 진보를 이루고 있다.

핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마 상태를 인공적으로 만들고 유지하는 시간이 해가 갈수록 늘면서 핵융합발전

상용화의 꿈이 조금씩 가시권 안에 들어오고 있다.

 
 지구상에 존재하지 않던 높은 열과 압력을 다루기 때문에 필연적으로 발생하는 문제들, 특히 복잡한 불안정성을 다루는

데서도 상당한 지식과 세밀한 제어기술을 축적해가고 있다. 그러나 핵융합 발전의 가장 큰 난제들로 알려진 초고온

플라즈마의 ‘가열’과 안정적인 ‘유지’ 외에도 연구자들을 괴롭히는 것은 또 있다.

 
 바로 핵융합이 일어나는 극한 상황을 충분히 견딜 수 있는 ‘재료’를 개발하는 일이다.

 한국의 인공태양 KSTAR는 지난해 고성능 플라즈마 운전 기록을 기존 55초에서 70초로 늘렸다.

또 한 번의 세계 기록 경신이다. 100초 이상의 운전도 가능성이 있었지만, 장치의 안전을 생각하여 무리한 운전을 할 수는

없었다. 그 이유는 재료였다. 초고온 플라즈마의 운전 시간이 늘어나면 늘어나는 만큼 이를 견뎌야 하는 핵융합장치 내부

재료 역시 개선해야 하는 게 연구진의 숙제다.  

초고온 플라즈마, 식지 않게 잘 담을 그릇이 필요해

 고온의 플라즈마는 전기적 성질을 띤 양이온과 전자가 뒤섞여 자유롭게 돌아다니는 상태다.

KSTAR와 같은 토카막 장치는 이런 플라즈마를 초전도자석으로 만든 나선형의 자기장 트랙에 가둬 놓고 고속으로 회전

운동을 시켜 핵융합 반응을 유도한다.

 
 이때 도넛 모양의 진공용기인 토카막은 플라즈마에서 발생하는 높은 온도와 큰 압력을 잘 견뎌야 한다.

다행히 자기장이 플라즈마의 궤도이탈을 막으며 꼭 잡아두고 있기 때문에 장치 자체가 직접적으로 초고온의 플라즈마와

살을 맞댈 일은 없다.    

  
 하지만 자기장을 이용해 플라즈마를 진공용기의 벽면에서 잘 떼어 놓는다 해도 중심부 1억℃, 가장자리도 1,000℃를

훌쩍 넘기는 플라즈마는 간접적인 열기마저도 무시무시하다.

모닥불 가까이 서 있다가 뜨거운 열기를 견디지 못해 결국 뒷걸음질을 치게 된 경험을 해보았을 것이다.

이글거리는 플라즈마와 진공용기 사이의 간격은 채 1미터도 되지 않는다.

 
 특히 플라즈마와 직접 마주보게 되는 1차벽은 높은 열에 잘 견뎌야 한다.

게다가 바로 바깥에는 절대 영도에 가까운 -269℃의 극저온 상태를 조심스럽게 유지해줘야 하는 초전도자석들이

버티고 서 있다.

 
 1차벽의 재료는 자칫 플라즈마 운전에도 영향을 줄 수 있으니 더욱 신중하게 선택해야 한다.

자기장을 이용해 플라즈마의 이온과 전자를 가뒀지만, 그 가둠이 완벽하지는 않다.

플라즈마를 담는 그릇이 우주와 같은 높은 진공상태이지만 아무것도 존재하지 않는 그야말로 완벽한

무(無)의 세계까지는 아닌 것이다.

 
 따라서 플라즈마에서 뛰쳐나온 입자들은 1차벽에 충돌하면서 미처 없애지 못한 벽체 표면에 붙어 있던 산소나 탄소 원자로

구성된 ‘불순물’이라 불리는 오염물질을 만들게 된다.

이렇게 발생하는 불순물 원자들은 플라즈마 내부로 유입돼 이온화되면서 중수소 플라즈마를 오염시키게 된다.

 
 이와 같은 과정을 거치면서 플라즈마의 온도가 떨어져 핵융합반응의 효율을 저해하는 원인이 되는 것이다.

또한 플라즈마의 가장자리의 불안정성으로 생기는 여러 가지 돌발현상은 마치 여성용 하이힐의 뾰족한 뒷굽에 밟히는

것이 코끼리 발에 밟히는 것과 같은 수준의 압력이 가해지듯 순간적으로 엄청난 집중도의 고에너지를 내벽에 가할 수 있다.

이런 현상이 반복되면 아무리 튼튼한 재료로 1차벽을 만든다 해도 핵융합장치의 수명은 당연히 짧아질 수밖에 없다.

 

▲ KSTAR의 진공용기 내부 모습

 최적 소재 찾기 나선 세계 핵융합계

 핵융합 연구자들은 열전달을 막고 잘 닳지도 않는 재료를 찾기 위해 주기율표상의 원소들 대부분을 활용해 견고한

핵융합 장치 내벽을 제작하는 실험을 해왔다. 

 초기 토카막에서는 주로 강철 스테인레스 재질의 타일에 높은 온도에도 잘 견디는 녹는점 1240℃의

베릴륨(원자번호 4번, 원자로의 감속재로도 쓰인다)이나 붕소(원자번호 5번, 녹는점 2076℃)를 사용했다.

 
 최근에는 금속 원소 중에 고온에 가장 잘 견디는 텅스텐(원자번호 74번, 녹는점 3400℃)이 1차벽 재료로 가장 선호된다.

프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로 ITER 역시 내벽이 텅스텐으로 설계되어 있다.

하지만 핵융합발전이 상용화되면 최소 2~3년 이상 부품교체 없이 장시간 운전이 가능해야 한다.

이에 따라 텅스텐을 뛰어넘는 더 좋은 재료를 찾기 위한 연구자들의 노력은 계속되고 있다.

 
 또한, 지속적인 열부하를 막기 위해서는 내벽의 재료와 함께 냉각수의 역할 또한 중요하다.

현재는 냉각수로 물을 많이 사용하나 헬륨기체의 냉각 효율을 높이는 연구를 통해 앞으로는 물을 대체할 것으로

예상되고 있다.

 
 이 모든 과정에서 복잡하고 어려운 기술이 필요하지만 핵융합에 적합한 재료 조건을 찾기 위한 노력이 세계 각처에서

계속되고 있는 만큼 곧 문제 해결의 실마리가 풀리리라는 게 대다수 핵융합 연구자들의 전망이다.

 
 특히, 다른 어떤 분야보다 재료과학(Material Sciences)의 발전은 핵융합 상용로에 최적화된 내벽 재료 개발의 청신호다.

핵융합이 이끄는 과학기술의 융합이 꿈의 에너지를 넘어 또 어떤 신세계로 인류를 인도하게 될지, 두근거리는 마음으로

지켜볼 일이다.

○KSTAR 플라스마 1억도 달성한다...

미래부, 3차 핵융합에너지 기본계획 수립

 최종수정 2017-04-24 11:28

태양은 1초에 전 인류가 1,000만 년 정도 쓸 수 있는 에너지를 방출한다.

이 엄청난 에너지의 근원은 바로 수소 핵융합에 있다.

가벼운 수소 원자핵 4개가 융합하여 좀 더 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 과정에서 질량 일부가 소멸 되고 큰 에너지로

바뀌는 것이다.

여기에는 아인슈타인의 질량-에너지 보전법칙(E=mc2)이 쓰인다.

과학자들이 태양을 본떠 ‘인공태양’을 만드는 작업에 착수했다.

높은 온도와 압력에서 중수소와 삼중수소 원자핵이 융합하여 헬륨이 되는 과정에서 발생한 질량 손실이 에너지로

방출되는 원리다.

중수소 200g과 삼중수소 300g만 있으면, 고리 원전 1호기의 2배 용량인 100만kW급 발전할 수 있다.

핵융합은 자원이 무한하며,

온실가스가 전혀 발생하지 않고 폭발 등의 위험이 없는 청정하고 안전한 에너지원으로 주목받고 있다.

핵융합 발전을 상용화하기 위해 우리나라는 한국형 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)를 건설했으며,

선진 6개국과 함께 국제열핵융합실험로(ITER) 건설 사업에 본격적으로 참여하고 있다.

KSTAR와 ITER에서 핵융합하기 위해 토카막이라는 장치를 사용한다.

토카막은 도넛 모양의 빈 통에 코일을 감아서 발생하는 자기장으로 플라스마를 가두는 장치다.

토카막 속에서 엄청난 온도의 플라스마가 만들어지고 핵융합이 이뤄진다.

핵융합이 일어나기 위해서는 섭씨 1억도 이상의 고성능 플라스마를 안정적으로 유지해야 한다.

미래창조과학부가 지난 21일 향 후 5년간 정부의 핵융합에너지 연구개발 추진 방향을 담은 ‘제3차 핵융합에너지개발

진흥기본계획’을 확정했다고 24일 밝혔다.

미래부는 이를 위해 KSTAR 후속으로 2030년 건설될 한국형 핵융합 전력 생산 실증로(DEMO)의 핵심기술 개발을 가속화

할 계획이다. 이를 위해 ‘KSTAR’에 중성입자 빔 가열장치를 2019년까지 증설해 플라스마 온도를 현재의 배인 1억 도까지

높이고, 현재 70초인 고성능 플라스마 운전 지속 시간 기록을 100초 이상으로 늘려 세계 최장 수준을 유지한다는 목표를

세웠다.

아울러 2019년 완공을 목표로 프랑스 남부에 건설 중인 국제열핵융합실험로(ITER) 사업에서 한국이 맡은 부분을 수행해

핵심기술을 선점하고 다른 분야 기술도 확보키로 했다. 정부는 이를 통해 한국의 ITER 사업 해외 수주 규모를 2016년

5,379억 원에서 2021년 8,000억 원 수준으로 늘려서 핵융합 산업 생태계를 활성화하겠다는 목표를 세웠다.

또 2018년 완공을 목표로 플라스마 관련 중소기업 지원을 위한 ‘플라스마 복합기술연구동’을 건설키로 했다.

ITER 이사회 한국 수석대표인 홍남기 미래부 1차관은 “핵융합에너지 발전이 실현된다면 인류의 에너지 패러다임이 확

바뀔 것”이라며 “지금까지는 천연자원을 보유한 국가가 에너지 강국이었으나,

앞으로는 핵융합 에너지 기술을 보유한 국가가 에너지 강국이 될 것”이라고 말했다.

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