우리 기술이 곧 신기록, 인공태양
2517 안하윤
여러분은 SF영화를 즐겨보시나요? 저는 SF영화를 가장 좋아하고 즐겨보곤 합니다. 최근에 개봉한 <스파이더맨 2>도 SF영화에 속하는데요. <스파이더맨 2>는 인공태양을 소재로 다루며 제작된 마블사의 영화입니다.
영화'스파이더맨 2'의 한 장면 [출처: 네이버 영화 '스파이더맨 2']이 영화를 보신 분들은 인공태양에 대해 조금은 알고 계실 겁니다. 인공태양이 실존하고 있다면 믿으실 수 있으신가요? 지금 현재 대한민국, 미국, 러시아, 중국. 인도. 유럽, 일본 등의 나라가 합쳐 공동건설 중입니다. 이렇게만 말하면 믿기지 않으시죠? 그럼 지금부터 인공태양에 대해 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
인공태양과 인공태양의 원리는 무엇일까?
말 그대로, 자연 상태의 태양이 아닌 인간의 기술로 만들어진 태양을 말합니다. 태양의 중심에서는 “핵융합”이라는 현상이 일어나는데 그 과정에서 열에너지와 태양의 빛이 만들어집니다. 또, 태양의 가장 많은 부분을 차지하는 수소의 원자핵들이 충돌해서 헬륨 원자핵으로 바뀝니다. 이 현상을 “핵융합 반응”이라고 합니다. 이때 줄어드는 질량만큼 에너지가 생성됩니다. 태양의 중심에서는 이 “핵융합 반응”이 계속해서 일어나고 있습니다. 이처럼 인공태양도 태양과 같은 원리로 핵융합을 이용해서 에너지를 만듭니다.
그렇다면 지구에서 핵융합을 만들려면 어떻게 해야 할까요?
지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 높은 온도의 환경을 인공적으로 만들어주어야 합니다. 지구에서는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 핵융합을 통해서 에너지를 만들어냅니다.
잠깐! 동위원소는 무엇일까요?
동위원소는 같은 원소이지만, 중성자 수가 다른 원자들을 의미합니다. 원소의 종류는 원자핵의 양성자 수로 정해지는데 중성자 수는 달라질 수 있습니다. 지금 인공태양에서 사용되는 수소 동위원소들로 예를 들어 수소의 원자의 경우 하나의 양성자를 갖지만, 중성자의 수는 다릅니다. 여기에서 양성자 수와 중성자 수를 합친 것이 바로 이 원자의 질량이 됩니다.
[출처: 네이버 지식백과, 동위원소]그림과 같이 중수소는 한 개의 양성자, 한 개의 중성자를 가지고 있어 질량수는 2입니다. 또, 삼중수소는 한 개의 양성자, 두 개의 중성자를 가지고 있어 질량수는 3입니다. 중성자의 개수가 달라지면 질량도 달라지게 되므로 물리적 성질도 달라집니다.
그렇다면 중수소와 삼중수소는 어디에서 구할 수 있을까요? 중수소는 바닷물을 전기 분해해서 얻을 수 있고, 삼중수소는 인공태양 장치 내에서 리튬하고 중성자를 반응시켜서 얻을 수 있습니다. 바닷물은 지구 상의 70%나 되고, 리튬은 지표면에서 차고 넘칠 뿐만 아니라 값도 싸져서 핵융합 발전에 필요한 연료는 거의 무한하다고 볼 수 있습니다. 이게 바로 가장 중요한 핵심일지도 모릅니다.
또, 태양에서의 핵융합 반응은 1,500만℃에서 일어납니다. 하지만 지구에서는 1,500만℃에서 핵융합 반응이 일어나기 힘듭니다. 왜 1,500만℃ 이상의 온도가 필요한지, 그 높은 온도를 어떻게 해서 만드는지 알아봅시다.
태양의 중심에서는 1,500만℃나 되는 높은 온도와 1000억 기압이나 되는 엄청난 기압이 있으므로 핵융합이 활발하게 일어나는 것입니다. 하지만 지구에서는 태양만큼의 거대한 중력이 없고 그만큼 기압도 부족합니다. 그래서 기압이 부족한 만큼 온도를 올려주어야 하므로 인공태양 핵융합에 필요한 온도는 최소 1억℃라고 합니다. 태양의 중심보다 약 7~8배나 되는 높은 온도이죠. 그렇다면 이렇게 높은 온도는 도대체 왜 필요한 걸까요? 원자는 원자핵, 전자로 이루어져 있고, 원자핵은 다시 양성자, 중성자로 이루어져 있습니다. 이러한 원자에 수천 도가 넘는 열을 가하여 아주 뜨겁게 만들어주면 원자에 붙어있던 전자는 떨어져 나가면서 자유전자가 되고, 전자를 내보낸 원자핵은 양성자 때문에 양전하를 띈 입자 상태가 됩니다. 이러한 상태를 ‘플라스마’라고 합니다.
중학교 이학년 과학을 배우신 분들이라면 이 내용이 생소하지만은 않으실 것입니다. 바로 원자의 구조와 전하량인데요. 전자를 내보낸 원자핵은 양전하를 띈다고 하였죠? 같은 전하를 띈 원자핵들은 서로를 밀어내려고 하는 힘이 작용합니다. 이러한 힘을 우리는 뭐라고 할까요? 맞습니다. 척력이라고 하죠. 척력이라는 힘 때문에 원자핵들은 서로 결합할 수가 없습니다. 그렇지만 이 플라즈마를 초고온, 즉 1억 도 이상으로 가열하게 되면 원자핵의 운동 에너지가 높아지면서 원자핵끼리 충돌하게 되고, 두 개의 원자핵이 하나로 합쳐지게 됩니다. 이 현상은 처음에 인공태양을 설명할 때 많이 언급되었던 “핵융합”입니다. 이렇게 두 개의 원자핵이 하나로 합쳐지면서 새로운 원자핵 하나가 생겨날 때는 질량이 더 작아지게 됩니다. 그래서 질량 에너지 동등성(E = mc^2)에 의해서 질량 차만큼 에너지가 발생하게 됩니다. 인공태양은 이렇게 핵분열로 생성된 에너지로 인류의 새로운 에너지 동력으로 사용하겠다는 목표입니다.
인공태양을 아무런 장치 없이 만들어도 될까요? 당연하게도 절대 안 됩니다. 인공태양을 만들기 위해서는 1억 도 이상의 높은 온도인 플라즈마를 담아둘 장치가 필요합니다. 이 장치를 핵융합 장치라고 합니다. 한국에서는 이 핵융합 장치를 KSTAR, 처음에 언급했던 나라들이 공동 건설하는 핵융합 장치는 ITER라고 합니다. 이러한 핵융합 장치는 자기장을 이용해서 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두고 핵융합 반응이 일어나도록 도와줍니다. 이 때문에 핵융합 장치 벽면에 직접 낳는 부분의 온도는 수천 도에 불과합니다. 그래서 핵융합 장치 안에서 높은 온도에서 핵융합 반응이 일어날 수 있는 것입니다.
인공태양의 장점
첫 번째로 연료 효율이 굉장히 높다는 것입니다.
핵융합 연료 1g은 석유 8t에 해당하는 에너지 생산이 가능합니다. 욕조 절반가량의 바닷물에서 추출할 수 있는 중수소, 노트북 배터리 하나에 들어가 있는 리튬 양 만으로 4인 가정이 80년 정도(한 달 전기 300 kWh 사용 시) 쓸 수 있는 전기를 생산할 수 있을 정도로 에너지 효율이 높습니다.
인공태양은 원자력 발전 방식보다 그 효율이 뛰어납니다. 원자력과 같은 핵분열에서 일어나는 질량 손실 비율은 약 0.1%, 핵융합 반응에서 일어나는 질량 손실 비율은 약 0.71%입니다. 아까 질량이 줄어든 만큼 에너지가 생산된다고 했었는데, 질량 손실률이 7배나 높다는 것은 그만큼 에너지 효율이 높다는 것입니다. 이러하여 같은 질량의 연료를 소모한다면 인공태양 기술이 현재 원자력 발전 방식보다 7배나 더 많은 에너지를 생성할 수 있습니다. 같은 무게의 수소, 우라늄의 가격 차를 생각해보면 경제성 측면에서도 뛰어나다고 할 수 있습니다. 이렇게 효율이 높아도, 연료 매장률이 낮으면 많이 만들기 힘듭니다. 인공태양기술이 사용하는 중수소는 바다에 22조 6500억 t이나 매장되어 있습니다. 이 정도의 양이면 인류 전체가 200억 년이나 사용할 수 있는 양입니다. 대한민국 같은 경우 동, 서, 남 모두 바다로 이루어져 있으므로 대한민국 지형환경에서 더욱 유리한 기술입니다. 또 하나의 원료인 리튬은 지표면에서 굉장히 쉽게 추출할 수 있으므로 자원고갈에 대한 부담이 굉장히 낮습니다.
두 번째로는 안정성도 뛰어나다는 점입니다.
핵융합, 들어만 보면 위협적으로 보일 수 있습니다. 하지만 핵융합 발전은 핵분열로 에너지를 만들어내는 원자력 발전과는 다릅니다. 원자력 발전에 사용되는 핵분열은 우라늄 원자핵이 분열되면서 방출되는 에너지를 사용합니다. 이는 인간에게 유해한 방사선이 누출될 수 있는 문제와 핵폐기물 발생, 폭발사고 가능성 등 각종 위험성이 있는 발전 방식입니다. 인공태양으로 만드는 핵융합 발전은 다릅니다. 지진, 해일 등과 같은 재난이 벌어지면 인공태양은 순식간에 꺼져서 폭발사고가 일어나지 않습니다.
세 번째로는 환경에도 좋다는 것입니다.
인공태양은 유해물질도 거의 안 나옵니다. 화력발전소 같은 경우는 일산화탄소, 이산화탄소, 미세먼지 등 인체에 유해한 물질이 생산됩니다. 원자력 발전소 같은 경우는 운영과정에서 인체에도 유독하고, 폐기하기도 곤란한 방사성 폐기물을 배출합니다. 하지만 인공태양이 만들어내는 생성물질은 방사능을 띄지 않는 헬륨입니다. 물론 방사성 폐기물이 일부 발생하기는 하지만 전문가들에 따르면 핵분열 발전의 폐기물들은 수십만 년 동안 환경으로부터 격리해야 하는데, 그 폐기물들은 길어도 100년 안에는 재활용할 수 있다고 합니다.
인공태양 단점.. 그리고 대한민국의 인공태양
인공태양의 유일한 단점은 고도화된 기술입니다. 핵융합 발전을 현실화시키려면 인공태양을 킨 상태를 유지해야 하는데 유지하는 것이 어렵다는 것이죠. 그러함에도 불구하고 대한민국에서는 한해 한해 신기록을 달성하고 있습니다. 2018년에는 1.5초, 2019년에는 8초 2020년에는 20초, 최근에는 30초까지 도달하였습니다.
제일 자랑스러운 점은 핵융합 연구를 일찍부터 해오던 일본, 미국, 유럽 등은 플라즈마 이온 온도를 1억 도 이상을 유지하고 있지 못하고 있는데 대한민국은 30초까지 도달한 것과 대한민국의 기록을 대한민국이 깨고 있다는 것입니다. 어떻게 오랫동안 유지할 수 있었던 걸까요? 한 연구원의 말에 따르면 모든 공간에 대해 여러 가지 불안정 요소를 하나하나씩 해결해야 하는데, 끝에 있는 플라즈마 에너지가 장치 내벽 특정 지역으로 가는 것이 시간상으로 문제를 줄 것이라는 가설을 세웠고, 그것을 해결하는 과정에서 오랫동안 플라즈마를 지속한 것이라고 합니다. 우리가 우리의 기술에 도전한다는 것, 마음껏 자랑스러워해도 되겠습니다.
대한민국의 목표는 2026년 안에 300초를 기록하고 2050년대 즉 약 30년 뒤에는 인공태양 에너지를 상용화할 예정이라고 합니다.
뉴스나 사람들이 인공태양에 보는 시선들이 대부분 이 기술이 성공한다면 강대국이 될 것이니 꼭 성공하기 바란다는 내용이 많습니다. 하지만 저는 이 기술이 성공하여 상용화되는 날까지 온다면 강대국이 되고 있다는 그런 기쁨보다, 환경에 좋은 에너지를 쓸 수 있다는 것과 가족들이 전기세에 부담을 가지지 않아도 된다는 사실이 더욱 기쁩니다. 물론 국가가 강대국이 된다는 것은 기쁘지만, 인공태양을 아까 전과 같은 시각으로 보는 것도 좋을 것 같습니다.
과학기술을 떠올리면 자연환경을 악화시키거나, 파괴하는 것으로 생각합니다. 하지만 이 인공태양으로만 봤을 때, 독자들이 요즘 과학기술은 미래에 더 나은 세상을 만들기 위하여 환경도 생각한다는 것을 깨닫게 되는 계기가 되었으면 좋겠습니다.
<출처>
- KEF 한국 핵융합에너지연구원 > 연구분야, https://www.kfe.re.kr/
- Youtube, 스브스 뉴스(2021. 11. 29.), "전 세계에서 한국이 최고? 지구 끝날 때까지 쓸 수 있는 에너지라는 인공태양"
