핵융합발전소

중국의 핵융합실험로

국제행융합실험로(ITER)

D-T 핵융합발전소의 시스템 구성

핵융합발전소는 태양이 타오르는 원리인 핵융합을 적용한 발전소이다. 핵융합발전의 원료인 수소를 지구상에서 쉽게 얻을 수 있다. 방사선이 발생하지 않아 '꿈의 에너지'로 불린다. 이 발전소는 수소 가스를 태양의 내부 온도보다 10배나 높은 섭씨 1억도 이상의 초고온 플라즈마 상태로 만들어 중수소와 삼중수소가 헬륨으로 융합하는 과정에서 나오는 막대한 에너지를 이용한다.

중국은 프랑스 남부에 짓고 있는 국제핵융합실험로(ITER)를 기본 모델로 삼아 2035년까지 핵융합발전소를 건설하는 계획을 추진하고 있다. 문제는 목표의 현실성 여부다. 중국의 목표는 핵융합을 수개월 동안 유지하는 것이다. 중국은 이미 핵융합 연구에서 미국을 앞섰다는 평가를 받고 있다. 중국 플라스마연구소 핵융합 실험로는 올해 6월 세계 최초로 5000만℃ 이상의 초고온 플라스마 상태를 100초 이상 유지하는 데에는 일단 성공했다. 하지만 프랑스의 ITER만 해도 핵융합 유지 목표 시간이 10분인 점을 감안할 때, 너무 낙관적인 목표가 아니냐는 의견이 중국 현지에서도 나오고 있다.

ITER이 시간과 돈을 너무 많이 소요하고 있는 점을 볼 때 중국의 계획이 성공할 수 있을지는 더 지켜봐야 한다는 의견이 우세하다. 유럽연합, 미국, 러시아, 중국 등이 참여한 ITER은 계획에 따르면 10년 전에 이미 끝났어야 했고, 지금까지 투입된 예산은 우리 돈으로 28조 원에 달한다. 하지만 지금은 2020년대 중반에 끝날 수 있을지도 미지수라는 것이 이 계통 연구자들의 공통적인 지적이다.

돈이 많이 드는 이유는 '인공태양'이라는 별명과 같이 핵융합 장치의 온도가 너무 뜨겁기 때문이다. 핵융합에 필요한 초고온 플라즈마에 주변 장치가 닿으면 모든 물체가 녹아내린다.

플라즈마를 진공 공간에 띄워 놓고 핵융합을 유도할 도넛 모양의 토카막(tokamak)이라는 장치를 만들 초전도 코일, 코일을 만들 초저온 액체, 초고온을 견딜 내벽 등 다양한 조건이 모두 충족돼야 실험에라도 성공할 수 있다. 핵융합 현상을 수개월 동안 유지하기 위해서는 이러한 성질을 극대화해야 한다.

인류 최초 핵융합발전소

한국 등 7개국이 참여해 건설중인 '인공태양' 국제핵융합실험로(ITER) 총 조립이 시작됐다. ITER는 500MW(메가와트)급 열출력을 내는 핵융합발전소를 2025년까지 건설해 2040년까지 운영하는 프로젝트다. 약 20만 가구가 쓸 수 있는 전기를 생산할 수 있는 발전소다. 극한의 크기와 무게를 지닌 품목들을 최종 조립, 설치하는 이 과정은 최고로 어려운 과학기술적 도전이다. 2021년 6월 기준 ITER 건설은 공정률이 75% 정도다. 조립동 공사는 2020년 4월 마무리했고, 이후로 핵융합실험로 장치 조립을 하고 있는 단계다. 현재 핵심부품이라 할 수 있는 진공용기를 조립 중이다. 모든 공정이 3년 뒤인 2024년 말이면 끝난다. 2025년에 첫 플라스마 방전을 시작한다.

대한민국 핵융합발전소

우리나라는 국제핵융합에너지개발 기본계획에 따라 핵융합으로 전기를 생산하는 실증로 가동목표도 2045년으로 잡고 있다. KSTAR는 2008년에 시작해서 12년 넘게 운전하고 있다. 목표는 1억도 이상의 초고온 고성능 플라스마를 300초 운전하는 거다. 2025년이 목표인데, 아직 전 세계 어느 나라도 달성하지 못했다. 2018년부터 1억도 조건을 맞추기 시작했고, 2019년 8초, 2020년 11월 20초에 도달했다. 2021년 목표는 30초다. 이걸 300초 이상 장시간 유지하려면 핵융합실험로 내부 타일을 현재의 카본에서 텅스텐으로 바꿔 줘야 한다. 애초엔 카본으로 될 것이라 판단했는데, 초고온 반응 속에서 카본 타일이 기화하면서 발생하는 탄화수소가 장치에 유입되어 장시간 운전에 문제가 생기고 있다. 2022년 하반기부터 2023년 상반기까지 기존 카본 타일을 텅스텐으로 업그레이드할 계획이다. 이후 진도는 300초까지 어렵지 않을 것으로 판단한다. 이미 실증로 기초설계를 진행하고 있다. 현재 이를 위하여 과학기술정보통신부와 긴밀히 논의하고 있다. ITER가 Q10을 달성하는 목표 시점인 2035년에 한국은 실증로 건설을 시작해서 2045년에 가동할 계획이다. 실증로 건설에는 최소 20조원 정도 들 것으로 보고 있다.

참고자료

• 조강희 기자, 〈中 ‘2035년 핵융합 발전소 건설’ 꿈 이뤄질까〉, 《한국에너지신문》, 2018-01-02
• 최준호 기자, 〈“인공태양으로 무한 에너지 생성, 30년 뒤 꿈 이뤄질 것”〉, 《중앙일보》, 2021-07-24
• 이해성 기자, 〈인류 최초 핵융합 발전소 총 조립 시작〉, 《한경닷컴》, 2020-07-28

같이 보기

• 핵융합
• 핵융합발전
• 핵융합에너지
• 토카막

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