"핵융합 발전" 연구개발 속도 낸다
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2010-05-26 17:03 
국가핵융합연구소는 KSTAR 운영과 ITER 사업 참여를 통해 한국형 핵융합실증로 건설에 필요한 독자적 연구를 수행해나갈 방침이다. KSTAR 진공용기 내부를 관계자가 점검하고 있다.
제어코일, 진공용기 내부에 설치 성공…D형 플라스마 구현 토대 마련
리튬등 원료 1g으로 시간당 10kW 전기 생산
美·EU등 주도 ITER 핵심부품 제작에도 참여
세계 주요국들의 에너지 확보 전쟁이 갈수록 치열해지고 있다. 석유와 천연가스의 안정적인 확보는 물론 고갈위기에 빠진 화석연료를 대체할 신재생에너지 개발에 총력을 기울이고 있다. 특히 우리나라의 경우 세계 10대 에너지 소비국으로 전체의 약 97%를 수입에 의존하고 있는 에너지 빈국이다. 에너지 수입을 위해 투입되는 자금만 연간 600억~700억달러에 달한다. 이에 따라 안정적인 에너지원 확보를 위해 대체에너지의 개발이 절실한 실정이다. 이 같은 상황에서 최적의 대체에너지 생산기술로 주목받는 것이 바로 인공태양이라 불리는 핵융합발전이다.
◇원료 1g으로 시간당 10만㎾ 전력 생산=지상의 인공태양으로도 불리는 핵융합은 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 인위적으로 모사해 전기 등의 에너지를 얻는 기술이다.
태양이 지구를 향해 쏟아내는 빛과 열에너지는 모두 태양에서 일어나는 핵융합 반응의 결과물이다. 이러한 핵융합은 원자가 쪼개지며 발생되는 핵분열에너지를 이용하는 원자력발전과는 반대로 원자가 결합하는 융합 과정에서 생성되는 에너지를 이용한다.
이런 핵융합발전은 최소의 연료로 최대의 에너지를 발생시키는 고효율 에너지원일 뿐 아니라 방사성물질 유출이 원자력발전에 비해 0.04%에 불과한 청정에너지라는 강점을 가지고 있다. 발생된 방사성폐기물도 짧게는 10년에서 길어도 100년 이내에는 모두 재활용할 수 있다. 따라서 원자력발전처럼 장기적 폐기물처리시설이 필요하지 않다.
핵융합발전은 특히 연료공급이 중단되면 1~2초 내로 운전이 자동 정지돼 발전소 폭발이나 방사능 누출 위험으로부터도 자유롭다.
또한 바닷물에 풍부한 중수소와 지표면에서 쉽게 추출할 수 있는 리튬(삼중수소)을 원료로 하기 때문에 자원이 거의 무한에 가깝다. 더욱이 효율은 타의 추종을 불허한다. 단 1g의 중수소와 삼중수소의 혼합연료로 시간당 10만㎾의 전기를 생산할 수 있다. 300g의 삼중수소와 200g의 중수소가 있다면 무려 100만㎾급 발전소 2기를 하루 가동한 것과 동일한 전력을 생산할 수 있을 정도다.
이경수 국가핵융합연구소장은 "석유자원의 고갈은 이미 예정된 수순이며 태양열ㆍ풍력 등의 신재생에너지 역시 선진국들조차 전체 에너지소비량의 15% 이하에 머물 것으로 보고 있다"며 "하지만 핵융합은 현재 화석연료가 차지하는 에너지량을 대체할 수 있는 고효율 친환경 에너지원"이라고 밝혔다.
◇고품질 D형 플라스마 구현 토대 마련=핵융합연구소는 핵융합에너지의 상용화를 주도하기 위해 지난 2007년 최첨단 토카막 방식을 이용한 핵융합장치 KSTAR를 국내기술로 개발해 운영하고 있다. KSTAR는 우리나라가 국제공동프로젝트의 일원으로 참여하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 약 25분의1 규모다. 핵융합연구소는 KSTAR를 통해 얻는 정보와 기술을 ITER 완공 때까지 ITER 국제기구와 기초실험 기술자료로 제공하는 한편 한국형 핵융합실증로 건설에 필요한 독자적 연구를 수행하게 된다.
특히 최근 핵융합연구소 연구팀은 무게 500㎏, 길이 8m에 달하는 "ㄷ"자 모양의 분할형 플라스마 제어 코일을 KSTAR의 진공용기 내부에 설치하는 데 성공했다. 이 제어 코일은 총 16개의 다발로 구성돼 있으며 8개의 구리 전도체가 스테인리스 합금에 쌓여 있는 형태로 플라스마의 초고온을 견뎌내도록 고안됐다. 이번 플라스마 제어 코일 설치 성공은 고성능 플라스마를 안정적으로 발생ㆍ유지할 수 있는 조건인 D형 플라스마 구현의 토대가 된다는 점에서 의미가 크다.
핵융합연구소는 오는 10월 대전에서 개최되는 "제23차 IAEA 국제핵융합에너지 컨퍼런스"에 맞춰 9월 이전에 D형 플라스마를 구현한다는 목표를 설정했다. 이를 위해 현재 플라스마 대향장치 등 진공용기 내부의 부대장치 성능 고도화를 추진하고 있다.
KSTAR 장치시스템개발부의 양형렬 박사는 "9월까지 5초 동안 유지되는 D형 플라스마를 구현하는 것이 1차 목표"라며 "2012년 20초, 2015년에는 300초 동안 유지되는 완벽한 D형 플라스마를 구현할 수 있도록 추진하고 있다"고 말했다.
◇ITER 핵심부품 제작도 담당=2015년 완공을 목표로 하는 ITER는 한국을 포함해 유럽연합(EU)ㆍ미국ㆍ일본ㆍ러시아ㆍ중국ㆍ인도 등 7개국이 참여하는 핵융합 공동프로젝트다. 7개국 연구진은 ITER를 핵융합 상업발전을 위한 최종 실험으로 평가하고 있는데 약 1,000초 동안 플라스마를 지속시켜 500㎿ 이상의 전기 생산을 목표로 하고 있다.
이를 위해 연구진은 ITER 실험으로 핵융합로 조건에서 플라스마 밀폐현상의 물리학적 이해도를 완성하고 성능이 한층 향상된 고성능 토카막 운전을 실현할 계획이다. 나아가 연료주기 연구, 재료 및 방사화 연구 등 핵융합로 공학 분야 연구를 통해 상용화를 위한 과학적ㆍ공학적ㆍ기술적 자료들을 제공할 방침이다.
ITER 개발에 2015년까지 약 50억8,000만유로의 건설비가 투입될 것으로 예상된다. 유치국 EU가 전체의 45.46%인 약 23억900만유로를, 우리나라를 비롯한 나머지 6개국이 각각 9.09%의 비율로 4억6,200만유로를 분담한다. 우리나라는 부담금을 현금 22%와 현물 78%로 제공한다. 현물 조달분은 참여국이 각각 할당 받은 조달물량을 자국에서 제작해 납품하는 비용과 자국 전문인력 파견 비용인데 우리나라는 진공용기, 초전도자석, 삼중수소 운송ㆍ저장, 전력공급계통, 블랭킷 등 총 10개 품목을 국내기술로 제작해 공급한다.
한편 우리나라는 조달품목 외에도 미래 핵융합발전에서 가장 중요한 연료인 삼중수소를 생산하는 ITER TBM(Test Blanket Module) 장치를 공동설계함으로서 핵융합발전로 핵심기술로 꼽히는 연료주기기술 확보에 본격적으로 뛰어들 계획이다.
대덕=구본혁기자 nbgkoo@sed.co.kr
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대덕=구본혁
