차세대에너지 ‘핵융합’ 상용화땐 ‘에너지 자립’

인류 역사가 시작된 이래 지금까지 소비한 에너지양은 석유 5600억배럴, 천연가스 40조㎥로 추산된다. 현재 에너지 소비량을 기준으로 할 때 지구상의 에너지 매장량은 앞으로 석유 43년분, 천연가스 60년분, 석탄 215년분의 사용량 밖에 남지 않았다고 한다.

이에 따라 선진 7개국(한국, 미국, EU, 일본, 러시아, 중국, 인도)은 새로운 대체 에너지원으로 시선을 돌리고 있다. 그것이 바로 핵융합 에너지다. 핵융합 에너지는 다른 대체 에너지원과는 달리 고밀도 대용량 에너지원으로서의 개발 가능성을 지니고 있기 때문이다. 선진 7개국이 추진하는 ‘국제핵융합실험로(ITER·International Thermonuclear Experimental Reactor)’를 통한 핵융합에너지 프로젝트에 대해 알아본다.

■ITER 프로젝트는 왜 추진하는가

세계는 지금 에너지 위기에 직면해 있다. 국제유가는 하루가 다르게 치솟고 있는데다 화석 연료는 고갈 위기에 직면하고 있다. 이러한 위기의식은 해를 거듭할수록 커지고 있다.

또한 세계는 지금 지구온난화로 엄청난 기상 이변에 시달리고 있다. 한 쪽에서는 화석연료 고갈 위기를 얘기하면서도 한쪽에서는 화석연료의 과다 사용으로 인한 온실가스의 배출로 지구 온난화 문제나 기상재해 등을 얘기하고 있다.

게다가 아시아를 중심으로 에너지 수요가 폭발적으로 늘어나고 있다. 중국과 인도 두 나라만 해도 오는 2050년까지 현재 가동 중인 세계 원자력발전소(약 430여기)보다 많은 500기 이상을 건설해야만 전력문제를 해결할 수 있다고 얘기한다.

이러한 에너지 위기 상황을 극복하기 위해 인류는 무한하고 청정하고 친환경적인 에너지원의 개발을 갈망하고 있다.

에너지 위기와 관련한 인류의 절대 절명의 과제에 답할 수 있는 것이 바로 핵융합 에너지다. 최근 20여년 동안 핵융합에너지 기술의 급격한 발전으로 핵융합 에너지는 이제 더 이상 꿈의 에너지가 아닌 현실의 에너지로 다가왔다.

바로 이러한 이유로 선진 7개국은 ITER 공동개발사업을 통해 에너지 문제가 없는 미래를 대비하자는 것이다.

■ITER는 핵융합 건설사업

‘ITER 프로젝트’는 우리말로 ‘국제 핵융합 실험로 공동연구개발사업’이라고 한다. ITER 사업은 토카막이라는 핵융합장치를 이용하여 중수소와 삼중수소를 플라스마 상태로 만든 다음 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생산하는 과정을 과학적·공학적으로 최종 실증하기 위해 국제 공동으로 수행하는 핵융합 실험로 건설사업이다. 태양이 바로 이 핵융합 반응에 의해 발생되는 에너지를 우리 생명체에게 영원히 주고 있는 것이다.

토카막이란 러시아에서 만든 언어로서 ‘도넛형(donut)+진공용기(chamber)+자석(magnet)’의 뜻이다. 즉 핵융합을 위한 플라스마를 도넛 형태의 진공용기 내에 발생시키고 전자석으로 가둬두는 장치다.

플라스마란 사전적인 의미로 ‘전리기체’를 의미하며 기체에 에너지를 더 가하면 양자와 전자가 따로 분리되어 자유롭게 운동하는 상태를 말한다. 우리 주변에서 흔히 접할 수 있는 플라스마는 형광등이나 네온 사인, 번개 등이 있다. 플라스마 입자는 전하를 띠기 때문에 자기장에 의해 초고온 상태로 가두어 핵융합 반응을 일으킬 수 있다.

■핵융합 발전은 어떻게 만들어지나

핵에너지는 원자핵이 합쳐지거나(핵융합) 붕괴되는(핵분열) 두가지 물리적 반응을 통해 얻을 수 있다. 핵융합은 핵분열과 상반되는 현상이다. 수소의 동위원소인 중수소(D)와 삼중수소(T) 같은 가벼운 원소들의 핵이 서로 결합해 헬륨(He)처럼 좀더 무거운 원소 핵을 형성하는 것이 핵융합 반응이다.

이때도 질량 결손에 의해 에너지가 생성되는데 이런 핵융합 반응을 연쇄적으로 일으켜 폭발에 이르게 하는 것이 수소폭탄이며 제어된 방법에 의해 원자력발전처럼 에너지화하려는 것이 바로 핵융합 발전이다.

핵융합 반응의 연료인 중수소는 수소에 중성자가 1개 더 결합된 원소로서 바닷물의 약 0.015%를 차지하고 있다. 삼중수소는 리튬이라는 금속원소를 핵융합로 안에서 핵 변환시켜 얻을 수 있는데 리튬은 지각에 매장돼 있거나 바닷물 속에도 풍부하게 존재한다.

문제는 자석의 같은 극처럼 서로 반발하는 중수소와 삼중수소의 원자핵을 합치려면 1억도 이상의 고온이 필요하다는 점이다. 온도 1억도쯤 되면 중수소와 삼중수소가 플라스마 상태가 되는데 이를 가두기 위한 장비의 개발이 바로 핵융합 발전의 핵심이다.

■핵융합에너지의 장점은

먼저 자원의 무한성을 꼽을 수 있다. 연료인 중수소(바닷물 속에 33g/㎥)와 삼중수소(리튬을 핵변환하여 얻는 연료로 리튬은 지구상 어디에나 존재)는 지구상에 무한대로 존재하기 때문이다. 중수소와 삼중수소 소요량은 연간 250㎏(1000메가와트급 핵융합발전소 기준)이다.

또 환경친화성이 뛰어나다. 지구온난화로 인한 기상이변 및 재해의 주범인 온실가스의 배출이 없고 사용후 연료를 포함한 고준위 방사성물질이 발생하지 않는다. 연료를 외부에서 가스 상태로 주입하기 때문에 연료 주입 중단시 핵융합 반응이 중단되는 안전성도 뛰어나다.

■ITER 참여를 통해 우리가 얻는 것은

핵융합발전로의 상용화를 앞당길 수 있다. 핵융합 과학기술 선진 7개국이 공동 참여함으로써 모든 핵융합 관련 기술이 동원되기 때문에 핵융합발전로의 상용화가 앞당겨지게 되고 우리나라로서는 그만큼 에너지 자립의 시기가 앞당겨 지게 된다.

에너지 자원 빈국인 우리나라에 에너지 자립과 에너지 안보의 기회를 부여한다. 핵융합에너지의 원료인 중수소와 리튬(리튬을 핵변환 시키면 삼중수소를 얻을 수 있음)은 지구 어디에서든 무한대로 얻을 수 있기 때문에 핵융합에너지 활용은 곧 에너지 자립을 의미한다.

다시 말해 우리 후손들에게 에너지자원 걱정 없이 전력을 마음대로 쓸 수 있는 세상을 물려 줄 수 있을 것이다. 즉 에너지 자립을 통한 에너지 안보를 확보하게 된다.

청정에너지로서 우리에게 좀 더 나은 환경을 약속한다. 핵융합에너지는 그 활용 과정에서 고준위 방사성물질이나 사용후연료가 전혀 발생하지 않고 중·저준위 방사성폐기물도 극히 소량인데다 50∼100여년 후면 방사능이 거의 없기 때문에 재사용이 가능할 뿐만 아니라 환경적으로도 이상적이라 할 수 있다.

또한 핵융합에너지는 온실가스의 배출이 없기 때문에 지구온난화로 인한 기상재해 등의 문제를 일으키지 않는다. 핵융합 발전기술은 향후 수출을 통한 차세대 국가 성장 동력원 역할을 기대할 수 있다.

ITER 사업과정에서 개발된 지적 소유권 및 원천기술 확보를 바탕으로 국내 핵융합발전소 건설뿐만 아니라 해외 핵융합 발전소 건설 시장 진출이 가능하다.

특히 핵융합발전소 건설은 장치 산업으로 우리나라가 7개 참여국 중 기술 수출에 가장 유리한 국가 중의 하나로 생각된다. 즉 우리나라의 원자력 기술, 중공업 능력, 정보기술(IT) 기술력, 품질 보증, 인건비 측면 등에서 가장 유리하기 때문이다.

/[email protected] 김승중기자