거품 속의 꿈, 핵융합 발전
※ 이 블로그의 기술적 내용은 대부분 프랑스 ITER (국제 핵융합 실험로) 프로젝트 자료와 미국 MIT 대학, Plasma science and Fusion Center 자료를 참고하였음.
한국뿐만 아니라 여러 나라에서, 꿈의 에너지, 인공태양, 무한 에너지 라는, 설마 과학자나 엔지니어들 입에서 나온 말이라고는 믿기 어려운, 사기꾼들이나 하는 과한 표현이 난무하는 기술분야가 핵융합 발전 기술이 아닐까 한다. 먼저 말하고 싶은 것은, 핵융합 발전 (전기생산) 기술은 아직 실현 가능성조차 미지수인 극히 걸음마 수준의 기술이라는 것이다. 처음 과학적 개념이 등장한 건 벌써 100년이 되어가고, 첫 번째 실험장치가 만들어진 건 70년도 넘었지만 다른 과학기술에 비해 아직도 획기적인 진보는 없었다. 현재 수준은 과학자들의 호기심 해결 목적으로 연구개발 예산이 투입되는 정도이고, 그 어떤 에너지 관련 민간기업도 핵융합 분야에 직접 연구개발을 하지도, 간접 투자도 하지 않고 있다. 먼저 사업화가 진행 중인 수백년 역사의 재생 에너지가 아직도 사업성 측면에서 갈 길이 멀고, 그동안의 장미빛 계획이 모두 사기꾼 수준의 거짓말이었다는 것을 경험한 우리는 핵융합 기술 역시 비판적으로 볼 필요가 있다.
천문학자의 발견
자료에 따르면, 핵융합에 대한 과학적 이해는 1920년경 영국의 천체 물리학자였던 Arthur Eddington (1882 - 1944) 이 밤하늘에 보이는 항성이 내뿜는 빛과 그 에너지의 근원에 대한 연구논문 ("the internal constitution of the stars") 에서 언급된 것이 시작이라고 한다. 그에 따르면 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합 과정을 통해 에너지가 발생되고 이 에너지는 별의 중력에 의해 가두어져 높아진 밀도 때문에 연쇄반응이 일어나, 우리가 보는 빛을 계속 발산한다는 것이다. (1920년경 한국은 일제 강점기 초기로 사회가 극도로 불안한 시절)
+ Arthur Eddington 은 2008년 공개된 필립 마틴 감독의 영화 "Einstein and Eddington" 의 주인공이기도 하다. 영화에서는 Eddington 이 없었다면, 1916년 당시에 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 이해할 수 있는 사람은 없었다고 한다. Eddington 은 아인슈타인의 이론을 천문관측을 통해 증명한 최초의 천체 물리학자이기도 하다.
핵융합은 쉽게 말하면, 2개의 가벼운 물질이 외력을 받아 더 무거운 1개 물질로 변하는 것을 말하고, 핵융합 발전은 이렇게 만들어진 1개의 물질에서 질량 손실이 발생하면, 손실된 질량만큼의 에너지 (E=mc2)가 발생하는데, 이 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것을 말한다.
※ 이미 우리에게 친숙한 기존 원자력 발전은 핵융합 현상과는 반대로 1개의 무거운 물질 (우라늄) 이 2개의 더 가벼운 물질로 변하는, 핵분열 반응에 의해 생기는 에너지를 활용하여 전기를 생산하는 방식이다. 핵융합에 비해서는 쉽게 핵분열 반응을 만들 수 있고, 연쇄반응 유지를 위해 특별히 할 것이 없다. 오히려 과도한 핵분열 연쇄반응이 발생하지 않도록 하는 기술이 필요하다. 전기발전에 핵분열 현상이 먼저 사용되기 시작한 것은 이런 이유 때문이다.
여기서 말하는 가벼운 물질이란 철(Fe) 보다 가벼운 물질을 말하고, 현재까지 알려진 바로는 지구상에서 핵융합을 가장 쉽게 일으킬 수 있는 물질은 중수소(D) 와 삼중수소(T) 의 혼합물이라고 한다. 그런데 이 혼합물에서 핵융합 현상이 일어나려면, 온도를 섭씨 약 1억 도 넘게 뜨겁게 만들어주어야 한다. 사실 이 정도로 뜨겁게 가열하면, 대부분의 물질은 플라즈마 상태 (음전하 양전하 입자가 서로 분리된 자유로운 상태) 가 되며, 앞에서 언급한 DT 혼합물의 경우는 핵융합이 시작된다.
※ 중수소(D)는 상대적으로 쉽게 구할 수 있지만, 삼중수소(T)는 별도로 돈을 들여 만들어야 하는 비싼 연료 (현재는 리튬에서 뽑아냄). 사실 중수소(D)만으로도 핵융합 현상을 만들 수는 있지만, 그럴려면 온도를 5억도 이상으로 유지해 주어야 한다. 그래서 비싸도 DT 혼합물을 사용한다고. 마치 비싼 고급 휘발유와 싸구려 저질 기름을 섞어 사용하는 것과 비슷한 개념.
현재 이렇게 높은 온도를 만드는 방법은 크게 2가지 방법이 있다. 가장 많이 사용하는 첫번째 방법은 큰 전자레인지에 넣어서 돌리는 방법이고 (정확히는 전자레인지로 뜨겁게 달군 극성이 없는 입자를 주입하는 방식), 두 번째 방법은 엄청 쎈 레이저 빔을 쏴서 뜨겁게 만드는 방법이다. 장난처럼 들리지만, 진짜다. 그럼 다시 온도를 내리는 방법은 어떻게 될까? 이것도 역시 믿기 어렵지만, 가열기를 끄고 그냥 기다리거나, 더 급하게 온도를 내려야 할 때는 수소나 네온으로 만든 얼음 가루를 뿌린다고 한다.
현재의 핵융합 기술이 해결하지 못하는 것은 핵융합 연쇄반응이 일어날 수 있도록 플라즈마 상태를 안정적으로 유지하는 것이라고 한다. 즉, 불 붙이는 성냥과 불 끄는 물은 있는데, 불이 계속 잘 탈 수 있게 해주는 난로를 못만들고 있는 셈이다. 현재까지 만든 난로들은 불이 몇 초 안가서 그냥 꺼진다. 그 몇 초동안 불이 안꺼졌다고 자랑하고 있는 것이 현재의 기술수준인 것이다.
대학생의 아이디어로 시작된 최초의 핵융합 실험장치
기록에 따르면, 처음으로 핵융합 발전기 아이디어를 제안한 사람은 1950년 7월, 당시 나이 24세의 구소련 모스코바 대학에 다니던 Oleg Lavrentiev (1926년생. 현재의 우크라이나 출신) 였다고 한다 (한국은 6.25 전쟁이 발발한 직후). 이 학생의 제안서를 검토하던 같은 대학의 핵물리학자 Andrei Sakharov 는 Igor Tamm 와 함께, 학생의 아이디어에서 영감을 받은 새로운 핵융합 실험장치를 고안해내게 되는데, 이것이 현재까지도 가장 많이 사용하고 있는 Tokamak 시스템이다. 핵물리학자 Sakharov 와 Tamm 은 비록 다른 업적이었지만, 나중에 2명 모두 노벨상을 수상한다.
구소련, 핵융합 꿈의 유산 Tokamak
현재 전세계에서 핵융합 실험을 위해 가장 많이 사용하는 실험장치.
어원은 러시아어, тороидальная камера с магнитными катушками 의 약자이고, 의미는 마그네틱 코일로 만든 도넛 모양 챔버 (Toroidal Chamber with Magnetic Coils) 라고 한다. 현재 프랑스 남부 내륙에 있는 Cadarache 라는 곳에 세계에서 가장 큰 Tokamak 장치, ITER (international thermonuclear experimental reactor:국제 핵융합 실험로) 를 여러 나라와 공동으로 만들고 있다. ITER 공동개발에 참여하고 있는 나라는 유럽연합, 미국, 러시아, 중국, 일본, 한국, 인도 총 7개국이며, 함께 만드는 ITER 이외에도 각 회원국 자체적으로도 Tokamak 시스템을 제작하여 핵융합 연구에 활용하고 있다. 현재 ITER 프로젝트의 사무총장은 2022년 5월, 사망한 프랑스의 Bernard Bigot 을 대신하여 일본의 원자력 연구원 부원장을 하고 있는 Eisuke Tada 박사가 권한대행을 하고 있다. (출처: https://www.iter.org/newsline/-/3762 )
※ 세계 최대 Tokamak, ITER 소개 동영상 : https://youtu.be/4BkOUOK0XzM
ITER 의 Tokamak 시스템을 구성하는 주요 부품들은 아래와 같다.
1) 초전도 코일 (Coils: 중국, 유럽, 일본 등) : 핵융합 현상을 유지하기 위한 핵심 부품. 도넛 모양의 진공 챔버 바깥에 설치되어 챔버 안에 있는 고온의 플라즈마가 챔버 내벽에 닫지 않도록 강력한 자장을 만들어 준다. 챔버 안은 1억도의 엄청난 고온이지만, 초전도 코일은 극저온을 유지해야하는 문제를 해결해야 하는데, 이러한 극강의 온도차를 유지하는 단열처리는 위 그림 상으로는 한국에서 담당하는 것으로 표시되어 있다.
2) 가열 장치 (Heating system: 유럽, 인도, 일본 등) : 장치 바깥쪽에 설치되며, 핵융합을 위한 연료를 가열하여 플라즈마 상태로 만들어 주는 장치. 상세 설명은 위에서 다룸.
3) 배열 장치 (Divertor: 유럽, 일본, 러시아 등) : 진공 챔버 안쪽 하단부에 있는 배기구 같이 생긴 장치로, 플라즈마가 지나치게 뜨거워지는 것을 막아준다. 즉, 가열 장치의 반대 역할을 한다. 1억도 이상의 극강의 고온을 견딜 수 있는 소재기술이 필요하며, 가열 장치보다 만들기 어렵다고 한다. 우주선용 엔진 분사노즐 소재기술이 사용된다.
4) 블랑켓 장치 (Blanket: 중국, 유럽, 한국 등) : 진공 챔버 내부에 있으며, 전기를 만들기 위해 가장 핵심이 되는 소모성 부품. 어렵게 핵융합을 하는 이유도 결국 발전 (전기생산) 을 하기 위함. 실제로는 고온의 플라즈마로부터 열을 전달 받아 발전용 터빈을 돌릴 수 있는 가스를 고온으로 달구어 주는 부분이며, 고가 연료인 삼중수소(T)를 만들기 위해 리튬을 처리할 중성자를 흡수하는 장치이기도 하다. 위에서 설명한 가열장치에 사용한 에너지보다 블랑켓 장치가 흡수하는 에너지가 적다면, 이 장치는 그냥 돈만 버리는 장치가 된다. 현재까지는 대부분의 Tokamak 이 돈만 먹는 장치 수준이다. 현재 자체 Tokamak 장치를 가지고 있는 국가들은 모두 자신들만의 고유한 소재를 사용한 블랑켓 장치를 사용하는 것 같다.
5) 기타 장치 (인도, 유럽, 한국 등) : 나머지는 장치 전체의 뼈대와 껍데기를 이루는 부분.
각 나라별 도전들 (중국, 일본, 한국, 러시아, 미국)
ITER 회원국인 중국은 EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) 라는 Tokamak 시스템을 운용 중이다. 2021년 12월, 중국과학원 발표에 따르면, EAST 를 이용하여 섭씨 1억 2천만 도를 1056초간 유지했다고 발표하였다. 현재의 EAST 는 1990년대 러시아로부터 기술을 도입하여 만든 중국 최초의 Tokamak, HT-7 의 개량형 시스템이고, 중국 상해에서 서쪽 내륙에 위치한 허베이성에서 1996년부터 제작하여 2006년 완성하였다고 한다.
소문에 따르면, 중국은 독자적으로 ITER 규모의 핵융합로를 이미 자체 제작하고 있으며, 제작기술은 ITER 를 참고하고 있다고 한다. 한마디로 자기들 맘대로 사용할 수 있는 자국산 ITER 를 제작 중이다.
※ 중국의 Tokamak, EAST 소개 동영상 : https://youtu.be/Y3x-RIzrvOE
ITER 회원국인 일본은 JT-60SA (JT: Japanese Tokamak) 라는 Tokamak 을 운용 중이다. ITER 자료에 따르면, 핵융합을 위해 사용한 에너지보다 핵융합으로 발생한 에너지양이 더 많은 (Q=1.25), 세계 유일의 Tokamak 이며, 최고 플라즈마 온도 섭씨 5억 2,200만도 세계 기록도 보유하고 있다고 한다. 참고로 5억도가 넘으면 저렴한 중수소(D)만으로도 핵융합 현상이 발생한다. 일본이 보유한 최고 온도 기록은 아직 깨지지 않고 있다. 일본이 처음 Tokamak 을 만들기 시작한 것은 1970년대이며, 첫 번째 Tokamak, JT-60 은 1985년 완성됐다. 그 뒤로 꾸준한 업그레이드를 통해, 현재의 JT-60SA 는 2021년 3월에 완성하였다고 한다.
일본도 중국이 개발하고 있다는 ITER 급의 핵융합로와 경쟁하기 위해, ITER 의 3배 출력의 실험용 핵융합로를 2035년까지 제작한다는 계획을 발표하였다. 일본 정부측 예상으로는 2040년까지는 ITER 를 중심으로한 국제협력을 통한 핵융합 기술 발전이 있겠지만, ITER 를 통해 어느 정도 기술검증이 되고 나면, 2045년부터는 핵융합 기술도 국제경쟁 시대로 전환될 것으로 보고 있는 듯하다. 일본 정부는 2050년까지 자국주도의 상용 핵융합로 기술확보를 목표로 하고 있다. (출처: Japan Business Press, 2022년 10월 17일자 기사, "核融合も中国が先行、いますぐ決断すれば日本の巻き返しは十分可能だ")
※ 일본의 Tokamak, JT-60SA 소개 동영상 : https://youtu.be/STwm5FYzw_0
ITER 회원국인 한국은 KSTAR 라는 Tokamak 을 운용 중이다. 현재 프랑스에서 국제 공동으로 제작 중인 ITER 와 가장 유사한 구조를 가지고 있다. KSTAR 는 1995년부터 제작 프로젝트가 시작되어, 미국 프린스턴 대학에 있는 플라즈마 물리 연구소의 TPX (Tokamak Physics Experiment) 를 참고하여 설계하였으며, 2007년 9월 완성됐다.
※ 한국의 Tokamak, KSTAR 소개 동영상 (화끈하게 방호복 따위는 안 입음) : https://youtu.be/p9zx49BrspE
※ 국내 언론에 자주 언급되는, 한국의 KSTAR 가 세계 최초로 1억 도의 플라즈마 온도를 몇 초간 유지했다는 기록은 사실 이제 의미가 없어진 실적이다. 당시 KSTAR 기록은 한 달도 안돼서 중국의 Tokamak, EAST 에 의해 깨졌다. 허망한 자화자찬 일 뿐이다.
ITER 회원국이자, Tokamak 시스템의 원조 발명 국가인 러시아는, 정작 1980년대부터 사용하던 Tokamak, T-15MD 를 아직도 사용 중이라고 한다. 자신들이 최초로 고안한 장치를 더 이상 업그레이드 하지 않고 있는 데에는 그럴만한 이유가 있을 것으로 추정할 수 있다.
ITER 회원국인, 미국의 경우는 좀 유별난 핵융합 장치를 연구 중인데, 다른 나라들이 대부분 러시아식 Tokamak 방식을 사용하는데 반해, 미국은 ICF (inertial-confinement fusion : 관성 구속 핵융합) 라는 개념을 이용하여 핵융합 실험을 하고 있다. 명확한 이름도 없는 이 ICF 실험장치는, 1997년부터 미국 서부의 샌프란시스코와 산호세 중간쯤에서 좀 더 동쪽에 있는 Livermore 라는 지역에 만들기 시작하여, 2009년 3월 완공됐는데, 그 규모가 어마어마해서 넓이가 축구장 3개 크기를 넘고, 핵융합을 만들기 위한 구형 진공 챔버는 지름이 10m 나 되는데, 이 챔버에는 모두 합하면 2백만 Joule (에너지 단위) 이나 되는 어마어마한 고출력의 레이저 총을 무려 192개나 꼽아 넣었다고 한다. 이미 완공된 지 13년이 넘어가고 있지만, 현재까지 시설과 장비 자랑 말고는 아직 이렇다할 성과는 없는 것 같다.
미국의 ICF 는 원리적으로 수소폭탄과 동일한 것으로 알려져 있다. DT캡슐이라고 부르는 삼중수소와 중수소 혼합물을 금으로 만든 캡슐에 넣고, 레이저 총을 이용하여 막대한 에너지를 캡슐에 가해주면, 순간적으로 캡슐 껍데기가 녹아 없어지고, 캡슐 내부의 연료가 폭발하면서 핵융합이 일어나는 방식이다. 핵융합 현상을 만들기 위해 가해지는 온도는 Tokamak 과 ICF 모두 1억도 정도로 비슷하지만, 밀도는 ICF 가 훨씬 높다고 한다. 알려진 바로는 ICF 방식의 핵융합 장치를 만들고 유지하는데, Tokamak 장치보다 10배 이상 많은 돈이 필요하다고 한다. 결국 돈 없으면 시도조차 하기 어려운 방식이다.
※ 미국 ICF 방식 핵융합 시설, NIF 소개 동영상 : https://youtu.be/KOZIx5JUHbc
민간 기업의 등장
막대한 예산을 쏟아부어도 돌아오는 성과가 미미한 현실에서도, 불나방처럼 핵융합 불꽃에 뛰어드는 민간기업들도 하나 둘씩 등장하고 있다. 예를 들면, 2002년 창업한 캐나다 기업, 제너럴 퓨전 (General Fusion) 은 기존의 Tokamak 시스템과는 전혀 다른, 액체금속과 공압 피스톤을 이용한 핵융합 유도장치를 실험 중이고, 회사 발표에 따르면 주요 투자자들로부터 큰 돈이 유입되고 있다고 한다. (필자가 보기에는 디젤엔진 같다)
+ 캐나다 제너럴 퓨전의 핵융합 유도장치 소개 동영상 : https://youtu.be/rdOfW6h77ZU
더 혁신적인 아이디어를 가진 기업도 등장했다. 미국의 헬리온 에너지 (Helion Energy) 이다. 이 업체는 핵융합을 통해 발생한 에너지로 물을 데워 증기터빈을 돌려 전기를 만드는 대신, 아예 핵융합이 발생할 때 생기는 플라즈마로부터 바로 전기를 만들어 내겠다는 아이디어를 가지고 있다. 최근 5억 달러 투자를 받았고 (참고: OpenAI 의 사장, 샘 알트만이 투자한 것으로 유명), 2024년까지 실증을 위한 시스템을 완성할 예정이라고 한다. (필자가 보기에는 번개불로 충전하기 같다)
+ 미국 헬리온 에너지의 핵융합 발전기 소개 동영상 : https://youtu.be/HlNfP3iywvI
영국의 핵융합 발전 스타트업, First Light Fusion 은 위에서 설명한 미국의 ICF (Inertial-confinement fusion) 방식의 핵융합 유도장치를 개발 중인데, 물리적 원리는 동일하지만 실제 만들고 있는 장치는 완전히 다른 메커니즘이라고 한다. 즉, 미국의 ICF 는 엄청난 고출력 레이저 빔을 이용하여 핵융합을 유도하는데 반해, 이 영국 기업은 핵융합 연료를 담은 캡슐을 총알 삼아 초고속으로 쏘고, 연료 캡슐이 충돌할 때 발생하는 에너지로 핵융합을 유도한다는 것이다. (필자가 보기에는 성냥같다)
+ 영국 First Light Fusion 의 핵융합 유도장치 소개 동영상 : https://youtu.be/suAelXzEYjs
여기서 언급한 스타트업 말고도 독일 등의 다른 나라에서도 핵융합 발전 기술 개발에 도전하는 여러 민간기업이 생기고 있지만, 공통적으로 기존의 Tokamak 시스템을 개량해서 사용하려는 곳은 없는 것 같다.
일본의 핵융합 민간기업, Kyoto Fusioneering 은 다른 기업들과는 달리 핵융합 유도를 위한 장치는 개발하지 않고, 누구든 괜찮은 핵융합 장치를 만들면 그 안의 1억도 이상의 고온으로부터 어떻게 효과적으로 전기를 만들 것인지와 이때 필요한 장비, 부품 그리고 그 소재를 개발하는 전문업체라고 한다. 아직 최적의 핵융합 방법을 찾지 못하고 있는 현실적 리스크는 짊어지지 않겠다는 전략인 듯하다. 누가 어떤 핵융합 장치를 만들던 어차피 전기를 생산할 목적이니, 그 부분에 집중하겠다는 것 같다. 일본 답다. 실제로 전 세계에서 제작 중인 실험용 핵융합 장치의 대부분이 Kyoto Fusioneering 이 제작한 플라즈마 가열장치를 사용한다고 한다.
최근, 일본 정부의 자금 지원을 받아 실험용 핵융합 시스템과 전기생산 장비 실증을 위한 UNITY 시스템 구축을 착수했다고 한다. (필자가 보기에는 자동차용 모든 부품생산을 전문적으로 생산하는 캐나다의 Magna 와 유사해 보인다)
+ 일본 Kyoto Fusioneering 소개 동영상 (영어) : https://youtu.be/bQvA4GL8zI4
안전성에 대해
결론부터 말하면, 이론적으로는 기존 원자력 발전에 사용되는 핵분열 기술에 비해서는 안전한 기술인 것은 분명한 것 같다. 다만, 아직 제대로 상용화된 기술도 아닐 뿐더러, 경제적 가치나 기술 완성도 조차 알 수 없는 수준이라, 지금 단계에서 안전성에 대해 이야기하기에는 너무 이른 감이 있다. 사실 가장 거짓말을 많이 하는 사람들이 편협된 지식을 가진 소위 전문가들과 정치인들이기 때문에, 지금 기술 수준에서 핵융합이 안전하다고 떠들고 다니는 전문가라는 사람이 있다면, 그냥 사기꾼에 가깝다고 봐야한다.
핵융합 발전에는 기존 원자력 발전에서 사용하는 연료봉이라는 것이 없다. 더구나 기존 원자력 발전에서는 연료과 폐기물이 모두 맹독성을 가진 방사성 물질인데 반해, 핵융합 발전에서는 연료로 수소계열 기체를 사용하고, 배출물도 헬륨 기체뿐이라서 별도의 독성 폐기물 없이 계속 재활용된다고 한다. 다만, 수소와 헬륨 가스 자체가 높은 가연성 기체이고, 핵융합 유도장치도 고장으로 인해 폭주할 가능성이 전혀 없는 것은 아니다. 사실 현재의 핵융합 유도장치는 제대로 된 장치가 만들어진 적도 없는 수준이라고 할 수 있다.