융합 에너지

드디어 인류가 소규모 융합 실험을 거행했다. 이젠 융합 과정을 상업적 규모로 키우는 일이 숙제다. 뿐만 아니라, 효율적이고 경제적이며, 친환경적이 되게끔 노력해야 할 것이다.

독자 여러분은 노트북 배터리에 리튬 금속 원소가 함유돼 있다는 사실을 아는가. 이론상으로, 노트북 배터리에 함유된 리튬만으로도 한 가구가 15년 동안 전기를 쓸 수 있다고 한다.

물론 리튬으로 전기를 생산하자면 배터리가 아니라 핵융합을 이용해야 한다. 핵융합이 실현되는 미래에는 리튬이 무척 중요해질 가능성이 있다. 핵융합은 태양이나 수소 폭탄의 에너지원이다. 리튬을 사용해 전기를 생산하는 발전소와 수소 연료를 이용하는 일은 원칙적으로 미래 청정에너지의 지속가능한 에너지원이라 말할 수 있다.

핵융합이란 무엇인가?

태양 에너지는 핵융합에서 발생한다. 사실대로 말하면, 지구상에서 핵융합으로 에너지를 만드는 일은 태양에서 핵융합으로 에너지를 만드는 일과 비교할 수 없을 정도로 어렵다. 태양은 온도가 아주 높고 중력도 크기 때문에, 특정 원자의 핵이 압축되어 더 무거운 핵을 갖게 된다. 예컨대, 융합을 통하여 더 무거운 핵을 지닌 수소(중수소)와 중성자가 만들어 진다. 반대로 아주 적은 양의 질량이라 할지라도 에너지로 변환되면 아인슈타인의 유명한 방정식 E = mc2 에 해당하는 큰 에너지가 발생한다.

지구상에서 가동되는 원자로는 태양 내부의 압력과 같이 큰 압력을 받을 수 없다. {지구상에서 이렇게 큰 압력을 얻을 방법은 오로지 열핵(thermonuclear) 무기에 의해서만 가능하다. 핵분열 시 발생하는 복사 에너지에 의해 연료가 압축된다.} 대신 온도는 태양보다 훨씬 높아서 상대적으로 낮은 압력을 보상하게 된다. 특히 무거운 수소(중수소. 양성자 하나와 중성자 하나로 구성됨)와 삼중수소(양성자 하나와 중성자 두 개로 구성됨)가 서로 융합될 경우, 높은 온도를 얻는다.

중수소는 자연계에서 흔치않은 수소이다. 그러나 각각의 물 분자에는 수소 원자 두 개와 산소 원자 하나가 들어 있고, 물은 어디나 충분히 존재하므로 중수소를 풍부히 만들어 낼 수 있다. 바다는 중수소의 보고라 일컬어진다. 바다는 인류가 향후 수십 억 년간 사용할 수 있는 에너지를 제공할 수 있다고 한다.

삼중수소는 방사능이 있다. 자연계에서 거의 찾아보기 힘든 원소로, 바로 이 점으로 인해 리튬이 더욱 각광받고 있다. 리튬은 간단한 핵반응을 통해 삼중수소로 변환되고, 이것이 중수소와 융합된다. 리튬은 지표면에 납이나 주석보다 풍부히 매장돼 있다. 또 해수에서도 생산할 수가 있다. 1,000 메가와트 급 융합 발전소를 일 년간 가동시키는 데 필요한 리튬의 양은 고작 수천 킬로그램에 불과하다. 또 해수에는 리튬이 수천 조 킬로그램이나 함유돼 있으므로, 향후 수백만 년 동안은 공급을 걱정할 필요가 없다.

핵융합 반응은 통제가 가능한가?

인류는 이미 소규모의 핵융합 실험을 마친 상태다. 실험팀이 마주한 난관은 융합 과정을 상업적 규모로 확대하고 이와 동시에 효율과 경제성, 친환경성 등을 도모하는 일이다.

핵융합이 지닌 잠재성을 검증하는 대대적인 시험 센터가 프랑스 남부 지방에 곧 건립될 예정이다. ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor: 국제핵융합실험로)라고 하는 것으로, 미국과 유럽 연합, 일본, 러시아, 중국, 대한민국, 인도 등이 합작으로 설립하는 연구 프로젝트이다. ITER은 500 메가와트 급의 전력 수준에 도달하게끔 설계했으며, 긴 에너지 방출 펄스가 대규모로 발생할 수 있도록 설계한 최초의 융합 시험 센터이다.

융합을 가능하게 하는 다른 방안들도 모색하고 있는데, 가장 진보한 방법은 자기력을 이용해 융합 성분을 뭉뚱그려 놓는 방법이다. ITER은 토카막(tokamak)이라는 장치에서 바로 이 자기 구속 방법을 사용할 예정인데, 토카막 장치에서 진공방 안에 연료를 가두어 놓은 후 1억 도가 넘는 온도를 가하게 된다. 이 때 융합 연료는 가스 형태의, 전하를 띈 물질로 바뀌며 이를 플라즈마라고 한다. (플라즈마의 전하는 자기력에 의해 구속이 가능하다) ITER은 상당히 높은 온도에서 플라즈마를 붙잡아둘 수 있는지를 밝혀 자기력의 구속 역량을 시험하게 된다. 또 융합 반응이 상당히 오래 일어날 수 있도록 밀도가 충분히 유지되는 지도 시험할 예정이다.

ITER은 2009년부터 시행에 들어가며, 플라즈마는 2016년 첫 생산할 예정이고, 2025년경에는 500 메가와트 급 열 에너지를 생산할 예정이다. (그러나 이 열을 이용해 전기를 생산하지는 않는다) ITER의 우선 목표 중의 하나는 다양한 기술적/안전 이슈를 다루는 전략들을 파악하는 것이다. 공학자들은 융합을 대규모 에너지원으로 활용하기 위해 이러한 과제를 해결하는 데 앞장서야 한다.

핵융합 원자로 가동의 장애

우선, 융합 반응 시 발생하는 충격에 강한 재료를 확보해야 한다. 중수소 융합 반응 시 헬륨이 생산되며, 헬륨은 플라즈마의 온도를 계속 유지시키는 데 필요한 에너지를 다소나마 보탤 수가 있다. 그러나 중수소 융합 반응에서 생산되는 에너지원은 대부분 중성자이며, 중성자는 고속으로 날아가 원자로의 벽에 충격을 가하게 된다. 이 때 전력으로 바뀔 수도 있을 귀중한 에너지가 벽으로 이동해 버린다. (첨단 원자로 시설에서는 중성자 역시 반응을 일으켜 리튬을 삼중수소로 변환시킨다)

그런데 중성자만 원자로의 덮개 물질(blanket material)에 에너지를 옮기는 것은 아니다. 중성자가 덮개 물질에 충돌하게 되면, 덮개에 있던 원자들이 방사능 물질로 바뀐다. 효과적으로 열을 발생시키고 또 중성자로 인한 구조적 약화를 장시간 버텨내기 위해서는 어떤 물질이 필요하다.

이 외에도, 중성자로 인해 발생한 방사능을 묶어두고 방사능 삼중수소 연료의 누출을 막을 방안도 필요하다. 또, 플라즈마는 원자로 물질과 상호작용하여 방사능 먼지를 발생시키므로 이 역시 제거해야 한다.

핵융합 발생 시설을 실물 크기로 건립하자면 위에 열거한 장애물을 모두 넘어야 하며, 이를 위해 공학적 발전이 이뤄져야 한다. 초전도 자석 및 첨단 진공 체계의 진화 등을 들 수 있다. 유럽 연합과 일본은 국제융합재료조사시설(International Fusion Materials Irradiation Facility)을 공동 설계 중으로, 융합 시설의 목적과 부합하는 재료를 개발하고 시험할 예정이다. 이 때 로봇을 이용한 유지보수 및 수리 방안 역시 개발할 필요가 있다고 본다.

위의 공학적 난제들은 무척 해결하기 어려운 난제임은 틀림없으나, 핵융합을 통해 인류는 거의 무한정으로 연료를 조달할 수 있으므로 충분히 매력이 있다.

핵융합 에너지의 안전성

안전에 대해 생각해 볼 때, 핵융합 에너지는 핵반응이 달아날 염려가 없다 - 처음부터 핵융합 반응을 일으키기란 무척 힘들며, 연료 주입을 중단하면 그 즉시 정지할 우려가 있다 - 또 공학자들은 중수소와 삼중수소 연료를 이용한 융합 플라즈마의 1차 생성 통제 방법을 배운 뒤, 2차, 3차 생성 시에는 보다 진보하여 방사능이 크게 준 연료를 생산할 수 있게 된다.

물론, 핵융합을 통해 에너지 공급을 제대로 실현하기 위해선 발전소 건립 및 안전 운용과 결부된 여러 장애를 효과적으로 해결하고 또 경제성도 확보할 수 있는 지가 관건이다. 기쁜 소식이 하나 있다. 현재, 위에 언급한 난제의 1차 라운드가 성공적으로 해결됐으며, 나머지 난제를 기필코 해결하겠다는 의욕이 하늘을 찌르고 있는 상태라는 말을 전하고 싶다. 핵융합은 환경적 피해가 적으면서 에너지를 풍족히 공급할 수 있다는 놓칠 수 없는 매력을 지녔기 때문이다.

참고문헌