'꿈의 에너지'... 핵융합 에너지 생산 이정표 썼다

대형 핵융합 원자로 건설(ITER)의 원자로는 프랑스 남부의 카다라쉬에 건설 중이다

유럽의 과학자들이 항성의 에너지원으로 알려진 핵융합 에너지 개발에 큰 진전을 이뤘다고 밝혔다.

영국 옥스퍼드셔 컬햄에 위치한 합동유럽토러스(JET) 연구소는 9일(현지시간) 수소의 동위원소 두 종류를 모두 사용하는 방식으로 생산한 에너지 양으로 이번에 자체 세계 기록을 경신했다.

만약 지구상에서 핵융합 에너지 생산에 성공한다면 저탄소저방사능 에너지를 사실상 무제한적으로 공급받을 수 있게 되는 셈이다.

연구진은 이번 핵융합 실험으로 약 5초간 59MJ(메가줄)의 열에너지를 얻어냈다. 전력 단위로는 11MW(메가와트) 정도로, 1997년 비슷한 실험에서 얻었던 에너지의 2배 이상이다.

이번에 생산된 에너지 양은 주전자 약 60개의 물을 끓일 수 있을 만큼으로 크진 않다. 그러나 중요한 것은 이번 성공이 현재 프랑스에서 건설 중인 보다 큰 규모의 대형 핵융합 원자로 건설(ITER) 설계 방향을 입증했다는 점이다.

이번 실험을 이끈 조 밀스 박사는 "JET 실험으로 핵융합 전력에 한 걸음 더 가까이 다가설 수 있었다"며 "이번에 연구팀은 연구 장치 안에서 작은 항성을 만들어 안정적으로 5초 동안 유지했다. 이는 새로운 영역에 다가서는 것"이라고 설명했다.

핵융합은 전기 생산을 위한 증기 터빈을 가동하는 데 궁극적으로 사용된다

프랑스 남부의 국제핵융합실업로(ITER) 프로젝트에는 유럽연합(EU) 회원국, 미국, 중국, 러시아 등 세계 여러 국가가 동참하고 있다. ITER는 이번 세기 말 핵융합이 안정적인 에너지원이 될 수 있음을 증명하는 마지막 단계로 일컬어진다.

미래에 핵융합 기반으로 발전소를 가동하면 온실가스 배출 없이 단수명 방사성 폐기물만 극소량 배출할 수 있다.

이안 채프먼 영국 원자력청장은 "막 끝난 이 실험들의 효과가 있어야만 했다"며 "그렇지 않았다면 ITER 프로젝트가 성공할 수 있을지 정말로 우려했을 것이다"고 설명했다.

채프먼 교수는 BBC와 인터뷰에서 "실패할 가능성이 높은 실험이었으나 연구진의 영민함과 과학적인 노력에 대한 신뢰 덕에 결국 성공했다"고 말했다.

JET 원자로의 내벽은 베릴륨과 텅스텐 배합 물질로 바뀌었다

기존의 원자력 발전에 사용되는 핵분열이 원자핵을 쪼개는 것과 달리 핵융합은 원자핵들이 융합되는 과정에서 에너지가 방출되는 원리를 이용한다.

태양의 중심에선 높은 중력 덕에 섭씨 1000만도 정도의 온도에서 핵융합이 일어난다. 지구상에서는 그보다 중력이 훨씬 낮기에 핵융합 발전에 성공하기 위해선 온도는 섭씨 1억도 이상으로 훨씬 더 높여야 한다.

이러한 온도를 견딜 수 있는 물질은 지구상에 존재하지 않는다. 그래서 과학자들은 실험실에서 핵융합 발전을 위해 도넛 모양의 진공 자기장 안에 초고온 기체 즉, 플라즈마를 가두는 해결책을 고안했다.

영국 옥스퍼드셔 컬햄에 위치한 합동유럽토러스(JET) 연구소는 거의 40년 동안 이 핵융합 발전을 연구해 왔다. 아울러 지난 10년간 미래의 ITER의 설정을 모사할 수 있도록 조직을 꾸려왔다.

이번 핵융합 성공은 좋은 소식이지만 안타깝게도 기후 변화의 영향을 줄이기 위한 노력에는 도움이 되지 않을 것으로 보인다.

핵융합 에너지 발전의 상용화 시점은 불확실성이 크다. 아마 20년 정도가 더 필요하다고 말하는 사람도 있다. 상용화에 성공한 이후 핵융합 발전이 점차 널리 사용되는 시간을 고려하면 아마도 이 과정에서 몇십 년이 소요된다는 뜻이다.

그리고 바로 이 점이 문제다. 무탄소 에너지원 확보는 시급하다. 영국 정부는 2035년까지 영국 내 모든 전기의 탄소 순 배출량을' 0'(제로)으로 만들겠다고 약속했다. 이는 원자력 에너지, 재생에너지, 저장된 에너지를 사용해야 함을 의미한다.

동료인 조나단 아모스 기자는 "핵융합은 2050년 탄소 중립의 해결책이 아니라 이번 세기 후반 지구 에너지원을 위한 해법"이라고 말했다.

프랑스의 ITER 연구소는 플라즈마를 만들기 위해 핵융합 "연료"로 중수소와 삼중수소로 불리는 수소의 동위원소 두 종류의 혼합물을 사용할 것으로 보인다.

JET 연구소는 이러한 동위원소와 효율적으로 작용할 수 있는, 자기장을 둘러쌀 80㎥의 도넛 모양의 진공용기 내벽을 시연해달라고 요청받았다.

1997년 역사적인 실험 당시에 JET 연구소는 내벽 재료로 탄소를 사용했으나, 탄소는 방사성 물질인 삼중수소를 흡수한다. 그래서 최근 실험에선 베릴륨과 텅스텐으로 원자로 내벽을 새롭게 만들었다. 이 물질들은 원료 흡수력이 10배나 떨어지기 때문이다.

내벽 환경이 바뀌면서 효율적인 가동을 위해 JET 연구팀은 플라즈마를 조정해야 했다.

'별을 짓는 사람들: 핵융합과 지구 에너지원을 위한 경쟁'(The Star Builders: Nuclear Fusion and the Race to Power the Planet)의 저자 아서 터렐 박사는 "이번 실험은 이제껏 어떤 장치에서보다 더 많은 핵융합 에너지를 생산해냈다는 점에서 놀랍다"고 밝혔다.

"이번 JET연구소의 실험은 5초 동안 플라즈마의 안정성을 증명했기 때문에 실로 획기적인 일입니다. 5초란 시간이 길게 느껴지지 않겠지만 핵 융합의 시간 개념에선 정말 긴 시간입니다. 그리고 5초 동안 성공했다면 5분, 5시간, 그 이상으로 유지하는 단계는 무척 수월합니다."

프랑수아 미테랑 전 프랑스 대통령과 엘리자베스 여왕은 1984년 공식적으로 합동유럽토러스(JET) 연구소의 시작을 알렸다

JET 원자로는 내부의 구리 전자석의 온도가 너무 높아져 더 긴 시간 동안 가동 될 수 없다. 이에 ITER에는 내부적으로 냉각된 초전도 자석이 사용될 예정이다.

실험실에서의 핵융합은 이를 통해 생산하는 에너지보다 가동을 시작하기 위해 더 많은 에너지를 소비하는 것으로 유명하다. JET의 이번 실험을 위해 500MW의 플라이휠이 사용됐다.

그러나 플라스마가 스케일 업되면서 미래에는 이러한 손해를 극복할 수 있다는 확실한 증거가 나오고 있다. ITER의 도넛 모양 진공 용기의 용량은 JET의 진공 용기의 10배가 될 것이다. ITER가 에너지 손익분기점을 넘길 수 있다는 희망이 나오는 이유다. 그 이후에 개발될 상업용 원자로는 전력망에 전력을 공급할 수 있을 만한 순수익을 보여야 할 것이다.

이 과정은 긴 여정이 될 것이며 JET 연구소 과학자 300여 명 중 4분의 1이 아직 경력 초기 단계에 있다는 것은 큰 의의가 있다. 이들이 앞으로 연구를 주도적으로 이끌 것이다.

30대인 아티나 카파투 박사는 "핵융합은 시간이 오래 걸리고 복잡하며 어렵다"며 "이것이 우리가 세대를 걸쳐 진전을 이뤄낼 과학자들과 기술자들 확보해야 하는 이유"라고 말했다.

한편 여전히 많은 기술적 문제가 남아있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 유럽에서는 EU, 스위스, 우크라이나 등지의 과학자 5000여 명과 기술자로 이뤄진 유로퓨전 컨소시엄 연구팀이 활동하고 있다.

영국 또한 참여하고 있다. 그러나 ITER 프로젝트에 영국이 완전히 참여하기 위해선 영국이 EU 주도의 몇몇 과학 프로그램에 "어울려야"함을 뜻한다. 이들 과학 프로그램은 지금까지 브렉시트 이후의 무역 협상 의견 차이, 특히 북아일랜드 이슈로 지연돼 왔다.

JET 시설은 2025년 ITER가 플라즈마 실험을 시작하거나 그 직후인 2023년 이후 해체될 것으로 보인다.

'꿈의 에너지'... 핵융합 에너지 생산 이정표 썼다 - BBC News 코리아

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