[KSTAR 그것이 알고 싶다 1] 핵융합에너지, 원자력에너지와 어떻게 다를까요?

2015년 11월 05일 13:50
국가핵융합연구소의 핵융합실험로 KSTAR. 앞으로 정부출연연구원이 세계 일류로 발돋음하기 위해서는 국가적 이슈인 과제들을 중장기적으로 추진해야 한다. 사진제공 국가핵융합연구소 - 국가핵융합연구소 제공
국가핵융합연구소의 핵융합실험로 KSTAR. 앞으로 정부출연연구원이 세계 일류로 발돋음하기 위해서는 국가적 이슈인 과제들을 중장기적으로 추진해야 한다. 사진제공 국가핵융합연구소 - 국가핵융합연구소 제공

Q : 힘든 핵융합 발전을 왜 연구하죠?
A : 인류를 위한 미래의 친환경에너지를 준비하기 위함입니다.

 
우리나라의 에너지수입 의존도가 높다는 사실은 누구나 다 아는 사실입니다. 전 세계적으로 85%의 의존량을 차지하는 화석연료가 빠르면 50년, 길게는 150년 정도면 고갈 될 것이라 합니다. 우리가 의존하고 있는 에너지의 85%가 사라진 150년 뒤의 미래는 어떤 모습일까요. 분명 쉽게 상상하기 어려운 모습이지만 분명한 것은 먼 미래가 아닐 수도 있다는 것입니다. 
 
이처럼 자원은 언젠가 고갈될 수밖에 없습니다. 핵융합에너지 연구는 언젠가 고갈될 자원에 전적으로 의존하지 않는, ‘기술’을 바탕으로 하는 에너지원을 만드는 연구입니다. 또한 화석연료와 달리 환경을 오염시키지 않는 친환경에너지이지요. 핵융합은 가까운 인류의 미래를 준비하기 위한 연구라 할 수 있겠습니다. 미래의 그때에 너무 늦지 않도록, 지금도 열심히 준비하고 있습니다.

 

Q : 핵융합 발전의 장점과 단점이 뭔가요?
A : 자원이 풍부한, 대용량의, 깨끗하고 안전한 미래 에너지이지만, 기술 개발을 위한 노력이 많이 필요합니다.

 
핵융합 에너지의 장점은 자원이 풍부한, 대용량 발전의, 깨끗하고 안전한 에너지라는 것입니다. 핵융합연료 1그램은 석유 8톤에 해당하는 에너지의 생산이 가능하며, 욕조 반 분량의 바닷물에서 추출할 수 있는 중수소와 노트북 배터리 하나에 들어가는 리튬의 양만으로 한사람이 30년간 사용할 수 있는 전기를 생산 할 수 있습니다. 
 
반대로 핵융합 발전의 단점은 기술 실현을 위해 많은 노력이 필요한 에너지라는 것입니다.하지만 이제는 세계의 많은 나라가 그 자본과 기술을 모아 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에 힘을 쏟고 있습니다. 우리나라를 포함해 미국, 러시아, 일본, 중국, EU, 인도 등 7개국이 연구 중인 국제핵융합실험로 프로젝트를 통해 꿈의 에너지인 핵융합 에너지를 얻기 위한 노력을 진행 중으로, 앞으로 20~30년 이내에 핵융합 발전을 이룰 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
 
Q : 핵융합 발전과 핵분열 발전의 결정적인 차이점은 뭔가요?
A : 핵융합 발전과 핵분열 발전은 완전히 상반된 물리 현상을 이용하여 에너지를 생산한다는 점입니다.

 
지난 2011년 3월 후쿠시마 원전 사고로 전 세계는 ‘핵’에 대해 높은 불안감을 가지게 되었습니다. 그래서 인지 ‘핵’이라는 단어만 쓰여도 원자력발전, 후쿠시마 원전 사고를 떠올리며 위험하다고 생각하는 사람들이 많아졌는데, 핵융합과 핵분열은 원자의 핵이 반응하는 과정에서 발생하는 에너지를 이용한다는 점은 비슷하지만 자세히 들여다보면 완전히 상반된 물리 현상을 이용하여 에너지를 생산합니다.
 
원자력 발전은 우라늄이나 플루토늄 같은 불안정한 물질이 보다 안정된 상태로 변하기 위해 원자핵 분열을 할 때 발생하는 열을 증기로 만들어 그 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것입니다. 우라늄과 같이 무거운 원자핵이 중성자를 흡수하면 원자핵이 둘로 쪼개지면서 많은 에너지와 함께 2~3개의 중성자가 나옵니다. 이 중성자가 다른 원자핵과 부딪치면 또다시 핵분열이 일어나고 계속해서 이런 연쇄반응이 일어나면서 막대한 에너지가 방출됩니다. 우라늄 1g이 핵분열할 때 나오는 에너지는 석유 9드럼, 석탄 3톤을 태울 때 나오는 에너지와 맞먹는다고 해요! 다만 원자력발전방식은 우라늄 매장량의 한계, 방사성 폐기물 처리 문제와 수명이 다한 원자로 해체 문제 등이 단점으로 지적되고 있습니다.
 
원자핵이 갈라지는 핵분열과 달리, 핵융합 반응은 중수소와 삼중수소와 같이 가벼운 원자핵 2개가 핵력이라는 거대한 힘에 의해 충돌해 하나의 다른 원자핵으로 합쳐지면서 막대한 에너지를 발생시킵니다. 즉, 중수소와 삼중수소가 만나 헬륨과 중성자가 생성되는데 핵융합 에너지는 중성자의 운동에너지 형태로 나타납니다. 이때 중성자의 운동에너지는 열에너지로 바뀌어 증기를 발생시키고, 발생된 증기를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 
 
핵융합에너지는 탄소가스가 배출되지 않고, 고준위 방사성 폐기물도 나오지 않는 장점이 있어 대용량 고효율 친환경의 미래에너지라고 불리고 있습니다. 하지만 태양과 같은 높은 열과 압력을 가진 플라즈마 상태를 유지하고 또 플라즈마 상태를 가둬두는 것이 어려운 문제이죠. 
 
Q : 아~주 만약에라도 핵융합로가 폭발하면 어떡하나요?
A : 핵융합로는 폭발이 “불가능”합니다.

 
핵융합에너지는 폭발의 위험이 전혀 없는 안전한 에너지입니다. 핵융합로는 에너지 특성상, 시스템 구조상 폭발이 불가능하다고 할 수 있는데요. 핵분열에너지와 핵융합에너지의 특성을 알면 폭발이 왜 불가능한지 이해할 수 있습니다.
[연료 공급, 진공 상태 등 조건이 하나라도 맞지 않으면 꺼지는 시스템!]
 
핵분열 반응을 에너지원으로 이용하는 핵발전소나 핵폭탄과는 달리, 핵융합 반응을 이용하는 핵융합발전 개념에서는 소위 '폭발'이라는 상황이 발생하기가 어렵습니다! 이는 여러가지 안전장치를 했기 때문에 일어나기가 어렵다는 것이 아니라, 플라즈마를 매개로 하여 핵융합 반응을 얻고자 하는 시스템의 특성 때문입니다. 
 
핵분열을 이용한 원자력 발전은 연료봉이 다 탈 때까지 장시간 운전을 계속 해야 합니다. 그리고 이것을 제어하지 못하면 사고가 일어나게 되는 것이죠. 반면에 핵융합은 진공 상태의 용기에 중수소와 삼중수소를 외부에서 소량으로 분사하여 핵융합에너지를 만들어내는 원리를 가지고 있습니다. 연료 주입만 차단되면 단 몇 초 안에 즉시 가동을 멈출 수 있죠! 
 
Q : 핵융합 발전 과정에서도 방사성 폐기물이 발생하나요?
A : 핵융합에너지는 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않는 친환경 에너지입니다.

 
핵융합 에너지는 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않는 안전하고 청정한 에너지입니다. 사실 우리는 알게 모르게 일상생활뿐만 아니라 보안검색 장치, X선 건강검진을 통해 자연방사선과 인공방사선을 접하고 있습니다. 즉, 방사선 노출 자체가 문제가 되기보다는 방사선 노출량이 어느 정도인지가 중요합니다.
 
핵융합 발전소에서도 소량의 방사성 폐기물이 발생하기는 하나, 이 때 발생하는 방사성물질인 삼중수소는 반감기가 약 12.3년으로 빠르기 붕괴되기 때문에 방사능 오염이 발생할 우려가 거의 없습니다. 
 
Q : 현재 우리나라의 핵융합 기술 수준은 세계와 비교하여 어느 정도 인가요?
A : 후발주자이지만, 뛰어난 기술력을 통해 단기간에 높은 수준에 도달했습니다.

 
사실 우리나라는 핵융합 선진국에 비해 수십년 늦게 본격적인 연구를 시작한 핵융합 후발 주자입니다. 
 
우리나라에서 핵융합 기술을 연구하기 시작한 것은 1970~80년대로 거슬러 올라갑니다. 이 시기에는 기초연구 및 인력양성을 위한 소형 핵융합 장치 연구가 이루어집니다. 1979년 서울대의 ‘SNUT-79’를 시작으로 1989년 ‘KT-1’(원자력연), 1993년 ‘KAIST-Tokamak’(KAIST), 1999년 ‘한빛(기초연)’ 등 다양한 연구 성과가 있었죠. 
 
이후 우리나라는 선진국 기술개발 추격을 위한 차세대초전도핵융합연구장치 ‘KSTAR’를 건설하고('95~'07) 운영('08~)하게 됩니다. KSTAR의 건설, 운영과 함께 기술력을 인정받은 우리나라는 2003년에는 국제핵융합실험로(ITER) 공동개발사업에 참여하게 되었습니다. 2008년부터는 핵융합 기초연구 및 연구기반 확대 추진 사업을 하게 됩니다. 국내 핵융합 연구기반 확대 및 선진국과 연구역량 격차 해소를 위한 기초연구 및 인력양성 사업, 국제공동연구 등에 본격적으로 돌입한 것이죠. 
 
사실 KSTAR가 지어지기 전까지 우리나라의 핵융합 연구수준은 대학이나 연구소의 소규모 실험실에서 기초연구를 수행하는 수준이었습니다. 따라서 핵융합을 연구하기 위해서는 외국의 핵융합 장치가 있는 곳에 가서 연구를 수행할 수밖에 없었는데요. KSTAR의 건설 및 성공적인 운영 이후에는 ITER 가입을 통해 국내에서 세계적인 연구자들과 협력 연구를 할 수 있는 수준에 도달하였습니다. 
 
Q : 미래의 에너지 “핵융합”에 너무 많은 돈을 쓰는 것은 아닌가요?
A : 핵융합은 상용화를 통한 에너지 문제해결 이외에도 첨단기술 개발 및 이를 통한 관련 산업생태계 활성화 등 사회 경제적 효과를 내고 있습니다.

 
핵융합연구는 대규모의 예산과 인력 그리고 시설을 필요로 하는 대표적 거대과학 분야로 우리나라뿐만 아니라 세계적으로도 정부주도로 연구개발이 이루어지고 있습니다.
 
또한, 핵융합과 같이 범인류적인 문제해결을 목적으로 하는 거대과학 연구는 투자 예산 규모가 크며 장시간의 연구를 필요로 하여, 단기간에 성과를 확인할 수 없는 것도 사실입니다. 그럼에도 불구하고 우리나라를 포함한 많은 선진국들이 핵융합 연구에 힘을 쏟는 이유는 핵융합에너지의 상용화에 따른 “에너지 문제 해결”이라는 최종 성과뿐만 아니라 이 연구과정에서 얻어지는 많은 부수적 효과들이 있기 때문입니다.
 
연구에 참여한 기업들 간의 산업 생태계가 형성되고, 핵융합 연구 참여로 얻은 기술로 우리나라 다수의 산업체가 해외 진출을 하고 있습니다. 또 핵융합 분야 이외 거대과학 분야에 전반적으로 긍정적 영향을 주고 있지요.
 
이처럼 핵융합 개발은 핵융합상용화를 통한 에너지해결 문제뿐만 아니라, 사회 경제적 파급효과를 내고 있습니다. 핵융합발전소가 지어질 때쯤에는 우리나라의 많은 산업체들이 세계적 기업으로 활발하게 활동하고 있을 수도 있지 않을까요?


국가핵융합연구소

메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

인기기사

댓글

댓글쓰기

지금
이기사

동아사이언스 SNS로
최신 소식을 받아 보세요!

  • 과학동아
    과학동아페이스북 과학동아카카오스토리 과학동아트위터
  • 과학동아천문대
    과학동아천문대페이스북
  • 어과동TV
    어과동TV페이스북