인공 태양의 의미는 무엇일까?
"그들은 변명할 수 없습니다."
일주일째 새벽녘에는 영하의 날씨가 이어지고 있다. 이렇게 날씨가 차가울 땐 양지바른 곳에 모여있는 병아리 마냥 사람들은 햇볕의 따스한 온기를 찾아 나선다. 이처럼 햇빛은 여간 고마운 게 아니다. 그러면 햇빛이 우리에게 미치는 영향은 어떤 게 있을까?
우선 햇빛을 통해서 우리가 얻을 수 있는 건강상의 이점은 이러하다. 햇볕을 쬐면 우리의 피부에는 비타민 D가 합성된다. 비타민 D는 뼈를 튼튼하게 해 주고, 심혈관질환, 몸의 면역 상태, 심지어는 암 등과도 관련이 있다고 알려졌습니다. 또한, 햇빛은 우리 몸의 생체 리듬이나 감정을 조절하는 호르몬에도 영향을 줘서 수면이나 기분의 변화 등에도 영향을 미친다고 알려졌다.
그리고 햇빛은 세로토닌이라는 기분과 관련된 호르몬 분비를 촉진해서 우울하고 처진 기분을 좋아지게 하는 천연 항우울제 역할까지 한다. 특히 무기력하고 기분 저하를 겪는 시기인 겨울, 여름 장마철에는 우리의 기분에도 영향을 줄 정도로 특별한 존재이다.
또한 햇빛에 피부를 충분히 노출하면 일부 암의 발병 위험을 크게 낮출 수 있다는 연구도 있다. 호주 퀸즐랜드 의학연구소의 레이철 닐 교수팀은 자외선이 강한 지역에서 거주하는 사람들은 자외선이 낮은 지역의 주민보다 췌장암에 걸릴 위험이 30~40% 낮았으며 난소암과 식도암의 발병 위험은 각각 30%와 40%가 낮았다고 밝혔다.
이뿐 아니다. 에너지원으로서의 가치도 특별하다. 인류 문명이 사용하는 에너지원 역시 원자력 발전과 지열 발전을 제외하면 태양 에너지에 햇볕의 따스한 근원을 두는데, 예컨대 화력 발전 또한 화석 연료가 과거의 태양 에너지를 통해 생장한 유기물들의 시체로 구성된 것이다. 수력 발전, 풍력 발전 역시 태양열을 통한 물과 대기의 순환이 없으면 사용할 수 없는 에너지원이므로 우리는 태양은 에너지원으로서도 그 소중한 가치를 발휘하고 있다.
태양 에너지는 과연 얼마나 강력할까?
태양은 주성분인 수소 원자가 융합하여 헬륨을 만들 때 엄청난 빛과 에너지를 쏟아내는데 이는 약 1억 5,000만 km 거리에 있는 지구에 1초당 공급하는 에너지는 원자폭탄 수백 개의 에너지와 같은 엄청난 양이며 이 에너지는 지구 외에도 태양계 내의 모든 행성들에 골고루 공급되고 있다.
태양의 중심부는 섭씨 1,500만°C이며 기압은 수천억 기압으로 추정되고 있다. 햇볕의 따스한 태양에는 고체나 액체는 존재할 수 없고 가스 형태로만 존재할 수 있으므로 실로 놀라지 않을 수 없다.최근 뉴스에 의하면 이러한 태양을 소중한 가치를 인식한 과학자들은 최신의 과학 기술을 응용하여 새로운 도전을 하고 있다고 한다.바로 인공태양의 시도이다. 그러면 인공 태양은 현재 과연 어디까지 진행되었을까?
인공 태양에 관한 한국의 연구 성과는 이러하다.
2021년 11월 22일, 한국의 인공태양 KSTAR이 1억 도 초고온 플라스마를 30초간 유지하는 데 성공했다는 소식이 전해진다. 연구진의 큰 목표는 초전도 자석을 비롯한 각종 장치를 활용해 1억 도 이상의 플라스마를 장시간 운전하는 것이다. 실제 전력을 생산하는 햇볕을 쬐면 구축을 위해선 24시간 내내 고온 플라스마 운전이 가능해야 한다. 햇볕을 쬐면 2018년 1억 도 초고온 플라스마 운전을 최초로 달성한 이후 2020년 20초, 2021년 30초 달성으로 세계기록을 달성하고 있다. 하지만 24시간 구동을 위해서는 아직 갈 길이 멀다고 한다.
우리나라는 이미 1995년에 핵융합 에너지 개발을 선언하고 한국형 핵융합 장치인 ＇KSTAR＇(한국 초전도 토카막 개발 연구; Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 건설을 발표했다. 당시는 러시아, 미국, 영국, 그리고 독일만이 핵융합 연구를 위한 장치를 햇볕을 쬐면. 우리나라의 기술 수준으로는 무리라는 부정적인 의견이 나오기도 했으나 2007년 9월 무사히 건설을 마쳤고, KSTAR은 이듬해 시험 운전 중에 최초로 플라스마 발생 실험에 성공하며 이러한 우려를 불식시켰다. 이후 2018년도 1억 도 1.5초 달성, 2020년 20초간 유지, 2021년 30초 유지까지 계속해서 성과를 내고 있다.
특히 지난해 30초 기록은 ＇내부수송장벽(ITB)＇이라는 기술 덕분으로, 햇볕을 쬐면 내부에 플라스마 장벽을 쌓아 고온을 최대한 유지할 수 D가 합성된다 것이다. 연구진은 앞으로 핵융합 반응 과정에서 생성된 헬륨과 같은 불순물을 핵융합로 외부로 배출하는 장치인 ＇디버터＇를 설치할 예정이다.
그러면 앞으로의 전망은 어떠할까?
이를 통해 운전 시간을 연장해 2026년에는 1억 도를 300초간 유지할 계획이다. 한국 핵융합에너지연구원은 300초 조건을 핵융합 발전소 운영에 필요한 최소 기준으로 보고 있다. 300초를 유지할 수 있다면 핵융합로 내부에서 플라스마 움직임을 완벽히 파악하고 제어할 수 있어 대부분의 불안정 요소를 확인할 수 있을 것으로 예상하기 때문이다. 따라서 300초는 핵융합 발전소를 건설해 24시간 365일 발전해도 무리가 없다는 뜻이다.
미국은 어느 정도까지 왔을까?
미국 정부가 오는 2022.12.13일(현지시각) 꿈의 에너지로 불리는 핵융합 기술에 대한 중요한 과학적 성과를 발표할 예정이라고 파이낸셜타임스(FT)와 워싱턴포스트(WP) 등 주요 외신이 11일 보도했다. 매체는 미국 정부의 발표 내용이 핵융합 반응에서 처음으로 에너지를 순(純) 생산하는 데 성공했다는 내용일 것으로 전망했다. 에너지 순생산이란, 에너지를 만드는 데 소모한 에너지보다 얻은 에너지가 많다는 의미다.
그러면 유럽의 인공태양 기술은 어디까지 왔을까?
유럽 과학자들이 ‘인공 태양’ 개발의 중요한 이정표를 세웠다. 태양이 빛과 열을 내는 원리를 구현한 핵융합 발전 실험에서 기념비적인 결과를 얻어냈다고 한다. 영국 BBC는 유럽 공동 연구진이 영국원자력청(UKAEA)이 운영하는 핵융합 연구장치 제트(JET)를 통해 5초간 59MJ(메가줄)의 핵융합 에너지를 생성하는 데 성공했다고 9일(현지시각) 보도했다. 이는 1997년 비슷한 실험에서 얻어낸 22MJ의 약 2.7배다. D가 합성된다 채프먼 UKAEA 청장은 “기계에 작은 태양을 만들어 5초 동안 에너지를 생산한 것과 같다”며 “이번 실험은 우리를 새로운 영역으로 이끌 것”이라고 말했다.
핵융합은 원자력 발전처럼 핵에너지를 사용하지만, 작동 방식은 원자력 발전의 핵분열과 정반대다. 핵분열은 우라늄이나 플루토늄의 핵이 분열하면서 방출되는 에너지를 이용한다. 핵융합은 수소를 결합해 헬륨으로 만드는 과정에서 발생하는 에너지를 사용한다. 태양이 스스로 빛과 열을 낼 수 있는 것도 내부에서 이런 핵융합 반응이 끊임없이 이뤄지는 덕분이다. 핵융합 발전을 인공 태양이라고 부르는 이유다. 핵융합 반응의 재료가 되는 중수소는 지구에 사실상 무한으로 존재한다. 발전 과정에서 고준위 방사성 폐기물도 나오지 않는다. 핵융합이 ‘꿈의 청정에너지’로 불리는 이유다.
이번 연구 결과는 한국 미국 일본 유럽연합(EU) 중국 러시아 인도 등이 참가한 핵융합 장치 개발 협력 프로젝트인 국제핵융합실험로(ITER) 연구에 큰 도움이 될 것으로 보인다고 BBC는 전했다. ITER 프로젝트는 2025~2026년 핵융합을 시작한다는 것을 목표로 프랑스에서 핵융합로를 건설 중이다.
한국과 미국, 유럽의 과학에 관한 연구 성과를 보면 이제 태양을 흉내 낼 정도로 대단한 성과를 거두고 있다. 이처럼 인공 태양은 과학의 발전으로 첨단 연구 시설과 최고의 지성을 가진 연구진들이 만들어낸 미완의 결과물이다. 그러나 아직은 인공 태양의 시제품이 나오기까지는 수십 년간의 연구와 세월이 필요하다고 한다.
이를 통해 우리가 유추해 볼 수 있는 사실은 무엇일까?
하물며 이 정도의 인공 태양이 고도의 과학과 시간과 지성이 필요하다면 상상하기조차 힘든 거대한 태양의 존재야말로 더 높은 지성이 필요한 것이 합리적인 추리가 아닐까 생각한다. 그러므로 우리가 매일 혜택을 보는 찬란한 태양은 창조주의 작품임이 틀림없다. 생명과 에너지의 근원인 태양을 만드신 위대한 창조주께 감사와 경의를 표해야 하지 않을까?
로마서 1:20 ＂세상이 창조된 때부터 그분의 보이지 않는 특성들 곧 그분의 영원하신 능력과 신성을 분명히 볼 수 있습니다.그분이 만드신 것을 통해 그 특성들을 깨달아 알 수 있기 때문입니다.따라서 그들은 변명할 수 있습니다.＂
