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핵분열과는 달리 핵융합은 바닷물 속에 연료가 무한정하게 존재하고 핵폐기물을 남기지 않는다는 장점이 있다. 대신 핵융합을 실현시키기 위해서는 초고온 초고압의 극한상태를 계속 유지시켜야 하는 어려움이 따른다.

먼옛날 인류의 조상들이 처음으로 불을 이용하기 시작한 후부터 현재까지 꿈꾸어오던 영원히 꺼지지 않는 불, 즉 모든 생명의 에너지 공급원인 태양을 지구상에서 재현해 보고자하는, 정말 꿈 같은 과학의 도전이 서서히 실현되어 가고 있다. 이는 태양과 같은 모든 항성의 내부 상태와 같은 고온의 플라스마를 인공장치 안에 가두고 가열하여, 태양 내부와 같은 극한 상황을 만들고, 핵융합 반응이 일어나게 하여 지속적인 에너지를 방출하게 하는 방법을 현실화시키기 시작했다는 말이다.

제어 핵융합 에너지의 실현은 여러가지 준비단계 실험을 통하여 예측되어 왔다. 1991년 11월 유럽연합(EU) 핵융합 연구소의 JET(Joint European Torus)라 명명된 토카막 핵융합 실험장치에서 인류 최초로 2천kW 규모의 핵융합에너지가 발생됐고, 1993년 12월에는 미국 프린스턴대학 플라스마 물리연구소에 설치된 TFTR(Tokamak Fusion Test Reactor)장치에서는 1만kW의 실험초기 단계로서는 큰에너지가 발생됐다. 이는 반세기 동안 땀을 흘리며 노력해오던 수많은 과학자들이, 아니 태초의 불꽃을 바라본 이래 모든 인간들이 기다려오던 지구상에 영원히 타오르는 불꽃을 만들기 위해 꼭 거쳐야 할 이정표가 세워졌음을 의미한다.

핵분열과 핵융합의 차이
 

핵융합 에너지의 개발은 먼저 미국 핵물리학자 텔러박사와 옛소련의 핵물리학자 사하로프 박사가 고안한 가공할 위력을 가진 수소폭탄의 개발에서 시작됐다. 이 시기가 1950년 전후. 선진과학기술국들에 의해 비밀리에 시작됐던 인공태양에너지 개발계획, 즉 제어 핵융합 에너지 개발 연구의 결과로 핵융합 반응 연료인 중수소와 삼중수소(수소의 동위원소들)가 사상 최초로 핵융합로에 사용됐으며, 초기원자로 발생에너지의 수천배에 가까운 큰 에너지가 핵융합 반응에 의해 처음으로 발생한 것이다.

이 실험 성공 이후에도 제어 핵융합 에너지를 상용화하기 위해서는 극복해야 할 두가지 중요한 이정표가 남아 있다. 그 중 첫번째는 임계조건(break-even)의 달성인데, 이는 핵융합 반응을 지속시켜 이 때 방출되는 에너지가 이 반응이 일어날 수 있게 하기 위해 소모된 에너지와 같아지는 상태에 도달함을 말한다. 두번째는 핵융합에너지 개발의 최종 목표인 점화상태(ignition)의 달성으로, 이 때는 핵융합 반응에서 방출되는 에너지가 충분하여 추가 가열 없이도 핵융합 반응이 지속될 수 있는 상태에 도달하는 것이다.

인류의 출현과 함께 발명된 산화반응, 즉 화학반응에 의한 불, 전기에 의한 불, 그리고 '제3의 불'이라 일컬어지는 핵분열(fission) 연쇄반응에 의한 원자력에 이어, '제4의 불'이라 불리는 핵융합(fusion)에너지는 태양을 위시한 모든 항성들이 방출하는 빛과 열의 근원을 이루는 에너지다. 원자력 발전의 기본 원리가 되는 핵분열 반응과는 정반대되는 물리적 현상이다.

핵분열 반응은 우라늄(${ }^{235}$u)과 같은 무거운 방사성 동위원소들이 세슘(${ }^{137}$Cs) 등과 같이 가벼운 원소의 핵과 중성자로 분리되는 현상을 말하며 이 반응 과정에서 질량결손이 생기게 되고, 이때 없어진 질량은 아인슈타인의 질량 에너지 변환공식(E＝${mc}^{2}$)에 따라 방출되는 입자들의 운동에너지로 분출된다. 이 핵분열 반응을 연쇄적으로 일으키는 것이 잘 알려진 원자폭탄이고, 폭발에 이르지 못하게 제어해서 발전에 응용하는 것이 바로 원자력 발전이다.

핵분열 반응과 상반되는 핵융합 반응은 수소와 같이 가벼운 원소들의 핵들이 서로 결합하여 헬륨(${ }^{4}$He)과 같이 좀더 무거운 원소의 핵을 형성하는 물리현상을 말한다. 이 때에도 질량결손에 의해 생겨나는 에너지는 방출되는 입자들의 운동에너지로 나오게 된다. 이 핵반응 에너지를 이용한 수소폭탄 폭발의 큰 위력은 너무나 잘 알려져 있다. 그러나 이 에너지의 평화적 이용을 위한 제어된 상태의 핵융합 에너지 개발에는, 이때까지 현대과학이 만났던 그 어떤 문제보다도 어려운 기술적인 문제가 수반된다. 이 때문에 초기의 낙관적 예상과는 달리 반세기에 가까운 노력 끝에서야, 제어 핵융합 연구의 근본을 이루는 이론의 실험적 검증을 마칠 수 있었다.

제어 핵융합 에너지의 개발에 요구되는 기술적 어려움을 이해하기 위해서는 핵융합 반응시 일어나는 물리적 현상들은 좀 더 자세히 알아야만 한다. 이를 위해 먼저 가능한 많은 핵융합 반응경로 중 가장 쉽게 일어날 수 있는 반응경로 두가지를 예로 들어 보자.

그 첫번째는 D-T반응으로 반응식은 D+T→${ }^{4}$He+n이다. 중수소(Deuterium)와 삼중수소(Tritium)의 핵자들이 충돌결합할 때 안정성이 높고 무해한 헬륨이온(${ }^{4}$He)과 중성자(n)가 나오고, 이때 방출되는 입자들의 총 운동에너지는 17.5MeV(1MeV는 1백만 전자 볼트)가 나온다. 이 반응이 일어나기 위해서는 핵융합 연료인 수소동위원소 핵들로 이루어진 가스가 4천5백만도 이상으로 가열되어야 한다. 이 경로가 다른 모든 핵융합 경로들보다 가장 쉽게 일어나는 반응경로다. 이를 제1세대 핵융합 반응이라 한다. 수소폭탄 뿐만 아니라 앞에서 예시한 실험들에서 사용한 핵융합 연료들은 모두 이 반응경로에 의해 타오른 것이다.

두번째는 D-${ }^{3}$He로 불리는 반응경로로 반응식은 D+${ }^{3}$He→${ }^{4}$He+p이다. 이 반응경로는 D-T 반응에 이어 두번째로 쉽게 일어난다. 중수소(D)와 헬륨3(${ }^{3}$He)핵자들이 충돌 결합할 때 헬륨이온(${ }^{4}$He)과 양성자(p) 즉 수소의 핵자가 나오는 핵융합 반응으로, 이 반응에서 방출되는 입자들의 총 운동에너지는 18.2MeV에 달한다. 하지만 이 반응이 일어나기 위해서는 연료를 D-T 반응을 위해 요구되는 온도보다 8배나 높은 3억 5천만도 이상으로 가열해야 한다. 이런 어려움에도 불구하고 이 반응에 쓰이는 핵융합 연료들(D-${ }^{3}$He)전부가 안정된 원소들이고, 주위 물질이 방사성을 갖게 유도하는 중성자도 나오지 않기 때문에 가장 깨끗한 핵반응이라 불린다. 따라서 이는 핵융합 에너지 개발 연구의 최첨단 연료로 큰 기대를 모으고 있다.
 

지구상에서 실현 불가능?
 

이처럼 상대적으로 쉽게 일어나는 핵융합 반응경로들도 이 반응으로부터 에너지를 얻기 위해서는 연료, 즉 핵융합 물질들을 태양의 내부와 같은 초고온 초고압의 극한상태로 가둘 수 있어야만 한다. 하지만 태양의 내부상태란 지구 대기밀도의 1백만배 이상의 초고압과 1천5백만도 가량의 초고온 상태를 말하기 때문에 지구상에서 실현이 불가능한 것은 명백하다.

이러한 극한 상황이 필요한 것은 핵융합 에너지 개발의 초기부터 잘 알려져 있었다. 영국의 로슨경은 온도 밀도 밀폐시간 및 총부피에 대한 점화조건을 계산한 바 있고 이러한 상수들간의 상관관계도 밝혀졌다. 이 연구결과에 따르면 고체 액체 기체 등과 같이 우리에게 친밀한 물질상태로는 이러한 조건들을 만족시킬 수 없고, 다만 플라스마(Plasma)라 불리는 제4의 물질상태, 즉 고온하에서 이온화된 하전기체 상태만이 조건들을 만족시킬 수 있다는 것. 저장방법에 있어서도 현재까지 알려진 최고온 내열재들은 4천도 이상이 되면 모두 타버리므로 관성밀폐방식(inertial confinement)과 자기밀폐방식(magnetic coninement) 두가지 방법 밖에는 없다는 결론이 내려져 있다.

여기에서 관성밀폐방식이란 조그마한 구슬 형태의 핵융합 연료를 레이저와 같이 강력한 빛으로 쪼이면 그 압력에 의해 내부밀도가 보통 액체 상태의 밀도보다 수천배 더 높은 상태로 압축되고, 이 수축시 발생하는 충격파에 의해 연료가 가열되어 핵융합 반응이 일어나게 하는 것을 말한다. 이 방식은 핵융합 반응 상태를 지속적으로 유지시킬 수 없기 때문에 상용화될 수 있는 에너지원으로는 부적합하지만, 기술적으로는 수소폭탄의 폭발구조와 흡사해서 수소탄 개량을 위한 시뮬레이션 등 군사적 목적으로 연구가 진행되고 있다.

지금까지 알려진 플라스마 밀폐방식 중 핵융합 에너지의 실용화에 이용될 수 있는 최선의 방법은 자기밀폐 방식. 전기를 띤 입자들은 자기장에 의해 운동의 구속을 받는다는 전자 기학적 원리를 응용해서 진공용기 속에 초고온 상태의 플라스마를 가두고, 초고주파 등을 이용해 플라스마 속의 핵융합 반응 물질들을 더 높은 온도로 가열, 핵융합 반응이 일어나게 유도하는 방식이다.

이 방식을 이용한 실험장치 중에는 미국에서 개발된 스텔러레이터(Stellaratar), 자기 거울(Magnetic Mirror), 영국에서 개발된 핀치(Pinch), 1968년 옛소련에서 사하로프와 탬에 의해 발명됐으며 현재까지 가장 진보된 방식인 토카막(Tokamak：도넛형의 자기 용기라는 뜻을 가진 러시아어 약자) 등 여러가지가 있다. 현재 핵융합 임계조건에 도달한 유럽연합의 JET, 미국의 TFTR, 일본의 JT-60U 등의 장치는 토카막형 핵융합 실험로이다.

이와같이 전자기 원리를 이용하여 진공에 가까운 낮은 밀도(지구 대기밀도의 1천분의 1이하)에서 핵융합 점화에 필요한 조건들을 만족시키기 위해서는 적어도 플라스마를 태양 내부 온도보다 수십배 이상 뜨거운 3억도 가까이 가열하여 수초 이상 밀폐해야 한다. 이 목표를 달성하기 위해서 최첨단의 과학기술들이 총동원되어야 한다. 이 과정에서 극한상태하의 물질상태를 다루는 첨단 과학기술들을 연구하는 종합과학인 플라스마과학이 탄생한 것이다.

포기할 수 없는 이유

이처럼 기술적으로 어려운 도전을 극복해 나가야 했음에도 불구하고 40여년간 선진과학기술국들이 수백억 달러에 달하는 돈을 투자해가면서 핵융합 반응을 미래 에너지의 원천으로 개발하려고 노력을 경주하는데는 몇 가지 중요한 이유들이 있다.

첫째는 지구상의 바닷물 속에는 분리 채취가 용이하고 방대한 양의 핵융합 반응 물질인 증수소가 존재하고, 이 연료로부터 얻을 수 있는 에너지의 양이 무한하다는 점이다. 핵융합 에너지의 기본연료가 되는 중수소는 바닷물 1㎥당 약 30g이 함유돼있고, 이중수소 1g으로 얻을 수 있는 핵융합 에너지는 석유 50드럼이 가지는 에너지에 해당된다.

이 에너지 양은 전 인류가 1백억년 이상 사용하고도 남을 분량이기 때문에 무한의 에너지 자원이라 해도 과언이 아니다. 석유 석탄 천연가스 등 화석연료 및 원자력발전에 쓰이는 우라늄 등 세계 전체 에너지 부존자원 총량과 매년 급증하고 있는 에너지 수요를 감안해 보면 그 필요성은 더욱 극명해진다. 21세기 중반 이후에는 지구상의 이용가능한 연료가 고갈되어 인류는 심각한 에너지 문제에 봉착할 것이다.

두번째 이유로는 지구 환경보존 문제를 들 수 있다. 이는 화석연료를 태워서 얻는 에너지는 이산화탄소를 연간 35억t이상 지구의 대기 속에 방출한다. 이 탄산가스는 온실효과를 초래해 이상기후 현상을 일으킨다. 또한 산성비와 스모그를 일으키는 공해물질을 배출해 지구촌 환경오염의 주된 원인이 되고 있다. 또한 우라늄 등을 핵 연료로 사용하는 원자력 발전은 화석연료를 태울 때 나오는 공해물질의 배출은 없지만, 사용후 핵연료 속에는 수만년 이상의 긴 반감기를 가지는 고준위 방사성 폐기물이 만들어진다. 우리나라도 벌써 이 핵폐기물 처리 문제를 해결하는 데 많은 어려움을 겪고 있다.

이와는 달리 핵융합 반응에 의해 발생되는 물질은 해가 없는 헬륨기체 뿐이고, 방출되는 반응 중성자들에 의해 용기의 일부분이 저준위 방사성을 띨 수 있지만, 이것도 수십년의 짧은 반감기를 가지는 정도다. 이러한 간접적 방사능 문제도 핵융합 에너지 기술이 더 발전되어 앞에서 설명한 D-${ }^{3}$He와 같은 깨끗한 반응경로를 이용할 수 있게 되면 근원적으로 해결될 수 있다.

세번째 이유로는 제어 핵융합로의 근본적인 안정성을 들 수 있다. 여기서 근본적인 안정성이란 핵반응이 일어나는 핵융합로 속에는 소량의 연료만이 초고온의 플라스마 상태로 존재하고 있기 때문에, 핵융합 발전에서는 수년전 옛소련의 체르노빌 원자력 발전소 사고와 같은 대형사고가 일어나기가 원천적으로 불가능하다는 의미다.

이와같이 '미래의 에너지' 혹은 '꿈의 에너지'라 불릴 만큼 많은 장점을 가진 핵융합 에너지를 상용화하기 위해서는 막대한 연구투자를 장기간 지속해야 한다. 그러나 에너지문제와 환경문제가 더욱 심각해져 일반대중이 피부로 느낄 때까지는 이 분야에 대한 충분한 연구투자는 어려울 것이다. 앞으로 30년 이상의 시간이 더 걸려야 경제성있는 핵융합에너지의 상용화가 가능하리라는 것이 전문가들의 일반적인 전망이다.

하지만 연구재원의 부족을 극복하고 실용화 시기를 앞당기기 위해 핵융합 연구에 많은 투자를 하고 있는 미국, 유럽연합, 일본, 러시아 선진과학기술국들은 핵융합 연구의 초기인 1958년도부터 국제원자력기구(IAEA)를 통한 국제간의 상호협조 체제를 구축하고 있다. 제어핵융합 연구는 대형연구개발 과제 중 가장 공개적인 국제 협력 연구의 모델이 되고 있다.

최근에는 차세대 핵융합로의 건설을 위해서 국제원자력 기구의 주관하에 '국제 열 핵융합 실험로'(ITER:International Thermonuclear Experimental Reactor)를 건설하기로 합의하고 이에 소요될 70억 달러의 돈을 미국 유럽연합 일본 러시아 4개국이 분담하는 조약에 서명했다. 이 핵융합 실험로 건설계획은 현재 기본개념 설계를 마무리짓고, 공학적 설계작업에 착수하여 1998년까지 설계를 완료하고 21세기 초에는 실험연구를 시작할 예정이다. 또한 이 장치가 가동될 2010년 경에는 핵융합에 의한 열에너지의 방출이 1백만kW 수준으로 지속될 수 있도록 목표를 세우고 현재 전세계의 과학자들이 힘을 모으고 있다.

한편 제어 핵융합 연구는 과학기술의 발전에도 큰 파급효과를 가져다 주었다. 이는 수억도의 극한 상황을 자기장 속에 밀폐 저장하려는 노력의 일환으로 초고온 고자장 고진공과 같은 최첨단의 기술들이 총동원되는 과정에서 실용화 가능한 다양한 기술들이 파생되기 때문이다. 이런 플라스마를 이용한 반도체 가공기술 및 다이이몬드 박막제조기술 등은 아직 다른 방법으로는 흉내내지 못하는 독특한 기술들이다.

우리나라 실정은 어떠한가. 플라스마과학 및 핵융합 연구에 대한 정부 및 일반국민들의 인식이 부족하고 연구투자도 미약했기 때문에 기반기술마저도 가지지 못한 상태가 계속됐다. 그러나 이런 어려운 현실속에서도 플라스마과학 및 핵융합 연구가 가지는 무한한 가능성은 에너지 부존자원이 열악한 한국에서 태어난 우리 과학자들을 자극해 지속적인 노력을 계속하게끔 했다. 끈질긴 노력의 결과가 결실을 맺어 공동연구를 수행할 수 있는 '한 빛'장치의 설치가 완료되었다. 이 장치는 앞으로 핵융합 연구의 기본이 되는 플라스마의 밀폐 및 가열실험뿐 아니라 플라스마를 응용하는 첨단 산업기술 개발에도 쓰일 수 있는 '정상 상태 플라스마 연구장치'로 활용될 예정이다.

또한 현재 미국의 국립 연구기관들, 일본의 국립핵융합 과학연구소(NIES) 등과의 국제 협력과 국내 대학과 연구기관 간의 공동 협력 연구에 의해 초전도 컴팩트형 토카막인 STarX(Superconducting Tight-aspect-ratio eXperiment)장치, 즉 '인공 별 실험' 장치가 설계되고 있다. 이 장치가 개발돼 실험에 돌입될 2001년에는 지금 자라나고 있는 미래의 우리 과학기술자들이 인류가 풀어야만 할 가장 어려운 난제인 플라스마 핵융합에너지 개발을 위해, 우리의 연구시설에서 선진 과학기술국의 젊은이들과 어깨를 나란히하고 협력과 경쟁을 할 수 있는 기틀이 마련될 것으로 확신한다.