한국핵융합에너지연구원이 개발 중인 한국형 인공태양 ‘Kstar'

태양은 지금의 지구를 존재하게 만들어준 가장 큰 에너지원이다. 태양의 빛과 열은 만물의 근원이 되고 있다. 이처럼 강하고 무한한 에너지원인 태양을 지구에서 만들기 위한 노력이 계속되고 있다. ‘인공태양’이 그 주인공인데, 전 세계가 집중하고 있는 이 소설같은 일에 우리나라가 한발씩 앞서가고 있다는 소식이다.

땅 위에 태양을 만든다

하늘에 떠 있는 태양은 아주 오래전부터 다양한 문화권에서 신과 비슷한 의미로 숭배 받아온 항성이다. 그도 그럴 것이 태양으로부터 발현하는 빛과 열은 지금까지 만물을 생동하게 만들고 있다. 실제 태양이 1초 동안 뿜어내는 에너지는 지구의 모든 인류가 100만년을 쓰고도 남을 정도로 막대하다.

이러한 태양을 인공적으로 만들어 영구적인 에너지원으로 사용하기 위한 움직임이 이어지고 있다. 태양은 수소원자 2개가 충돌해 헬륨원자가 생성되는 핵융합을 통해 에너지를 방출하는 데, 이러한 태양의 핵융합과정을 답습해 에너지를 얻는 ‘인공태양’을 만들기 위해 세계 각국이 기술 개발에 나서고 있는 것이다.

인공태양은 태양과 마찬가지로 중수소와 삼중수소를 충돌시키는 핵융합으로 에너지를 만들고, 그 에너지로 물을 끓여 에너지를 생산하는 방식이다. 특히 중수소와 삼중수소는 바닷물에서 얻을 수 있는 무한한 에너지원이며, 우라늄과 플로토늄과 달리 핵융합을 하더라도 방사능이 검출되지 않아 폐기물도 원자력 발전의 0.04% 수준에 불과하다. 그렇게 만들어진 열로 전기를 만들어냄으로써 배출되는 오염물질도 없는 청정에너지원이 될 수 있다. 뿐만 아니라 핵융합 원료 1g은 석유 8t 분량의 에너지를 생산할 수 있어 인공태양 핵융합 발전이 성공을 거둔다면 청정하고 무한한 에너지를 얻을 수 있는 것이다.

이에 세계 각국이 인공태양에 주목하고 있는데, 특히 우리나라를 비롯한 미국, 중국, 유럽연합, 러시아, 일본 등 7개국은 협업으로 프랑스 카다라슈에 ‘국제핵융합 실험로(ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor)’를 건설하고 있다. 2010년 시작된 ITER은 2040년 상용 핵융합 발전소 건설을 위한 원천기술 확보를 목표로 하고 있다.

하지만 아직도 가야 할 길은 멀고 험하다. 특히 기술적인 한계는 인공태양 완성을 위해 반드시 넘어야 할 과제로 꼽힌다. 인공태양의 최대 난제는 1억도의 플라스마를 오랫동안 안정적으로 유지하는 것과 인공태양의 핵융합 원료인 중수소(지구상에 존재하는 수소 중0.016%)를 도출해내는 기술이 필요한 상황이다. 이에 인공태양 개발을 위해연구를 하고 있는 국가들은 인공태양을 완성할 기술을 찾기 위해 보이지 않는 경쟁을 하고 있다.

세계최초 1억도의 플라즈마를 20초간 유지하는 데 성공한 인공태양 Kstar

한발 앞선 국내 기술력

인공태양에 있어 가장 중요한 것은 역시 플라즈마를 확보하고 이를 유지하는 것이다. 특히 1억도의 플라즈마는 불안정해서 쉽게 붕괴되기 때문에, 1억도 이상의 온도를 유지하면서 높은 압력에서도 안정적으로 움직일 수 있는 플라스마 상태를 확보해야 하며, 핵융합을 위해 이를 오랜 시간 유지하는 고난도 기술이 필요한 상황이다. 1999년 미국과 일본은 온도를 1억도로 끌어올려 플라즈마를 생성하는 데 성공했으나 유지기간을 늘리는 연구는 답보상태로 머물러 있다. 미국·일본·유럽이 달성한 유지시간은 최장 7초 정도에 불과했다.

그러나 지난 11월 놀라운 소식이 들려왔다. 1억도 초고온 플라즈마를 20초간 유지하는 데 성공한 것이다. 그 주인공은다름 아닌 한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합연)이 개발 중인 한국형 인공태양 ‘Kstar'였다. 지난 11월 24일 한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구센터는 2020년 KSTAR 플라즈마 실험에서 서울대학교 및 미국 콜롬비아 대학교와 공동연구를 통해 핵융합 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마를 20초 이상 연속 운전하는 데 성공했다고 밝혔다.

2008년 플라즈마 연구를 시작한 KSTAR는 2018년 처음으로 1.5초간 1억도 플라즈마 유지에 성공했다. 그리고 불과 2년 만에 마의 10초를 넘어 세계 최장기록을 달성했다. KSTAR는 지속적인 연구를 통해 2019년에 달성한 차세대 플라즈마 운전모드 중 하나인 ‘내부수송장벽(Internal Transport Barrier, ITB)모드3)’의 성능을 향상시켰고, 기존 초고온 플라즈마 운전의 한계를 넘어 장시간 플라즈마를 유지하는 데 성공할 수 있었다. 지난 10여년간 무려 2만 5800여 차례의 반복 실험을 통해 이뤄낸 결과다.

이러한 성과에 대해 유석재 원장은 “세계적인 핵융합 연구성과를 국민에게 알릴 수 있게 돼 기쁘다”며, “세계 핵융합 연구를 선도하는 기관으로서 핵융합에너지 실현이라는 전 인류적 목표 달성을 위해 도전적인 연구를 이어가겠다”고 밝혔다.

핵융합연은 2025년 플라즈마를 1억도 이상에서 300초 이상 연속 운전하는 것을 목표로 하고 있다. 핵융합연은 내년 30초, 2023년 50초, 2024년 100초 연속 운전 기록을 목표로 하고 있다. 핵융합연은 플라스마를 섭씨 1억도 이상에서 300초 이상 연속 운전하는 데 성공하면 인공태양을 상용화할 수 있을 것으로 예상하고 있으며, 목표가 달성되면 2050년부터 인공태양을 상용화하고 핵융합 상용 발전소를 건설해 전기를 대량 생산할 방침이다.

현재 우리나라의 인공태양기술은 신기술에 대한 지원과 전문가들의 처절한 연구의 결과물로 세계 최초이자 세계 최고라는 성과를 얻었다. 하지만 안심하기엔 이르다. 우리나라 외에도 인공태양에 주목하고 있는 국가들 역시 기술력 확보에 나서고 있기 때문이다. 세계 최고 수준의 기술력을 유지하고 지속적으로 발전하기 위해서는 앞으로도 많은 도전과 관심이 필요하다.

임호동 기자  ihd3333@naver.com