연료를 물에서 무한정 얻을 수 있고, 안정성이 뛰어나며, 핵 폐기물이 없고, 무기로 쓰일 위험이 없는 핵 융합발전. 이는 언제나 가능할 것인가.
우리나라도 '꿈의 원자로'라 불리는 핵융합로에 대한 기술도전이 올해부터 시작된다. 과학기술처는 올해 원자력분야 중점 역구과제로 원자력 안전성연구, 핵연료주기(週期)기술개발, 고속증식로 및 신형로(新型爐)개발, 핵융합로기술개발 등 5개를 선정해 대형국책연구개발과제로 삼기로 하고 이에 대한 구체적 작업에 들어갔다.
핵분열 에너지를 이용하는 기존 원자력발전과 비교, 안정성이 뛰어나고 폐기물이 없는 무한한 에너지원인 핵융합발전에 대해 자세히 알아보자.
핵융합력(Fusion Power)에 관해서 살펴보기 전에 왜 우리 인류가 핵융합 에너지를 반드시 얻어야 하는지 그 이유를 간단히 기술하여 보겠다. 우리 인류의 역사는 에너지의 관점에서 보면 더 많은 에너지와 더 세련된 에너지를 얻는 과정이었다고 볼 수 있다.
1950년부터 2000년까지 우리 인류가 사용할 에너지는 약 11Q(여기서 1Q＝${10}^{21}$Joule)정도로 추측되고 있다. 또한 2000년부터 2050년까지 사용할 추정 에너지는 약 60Q 정도로 생각된다. 그럼 지구 위에 존재하는 에너지의 양을 보면 학자에 따라 상당한 차가 있으나, 석탄 석유등 화석에너지가 약 30~50Q,${U}^{238}$(우라늄 238)이 약 5Q 정도이다. 이런 화석에너지나 우라늄사용에 따른 대기오염 문제, 온실효과에 의한 온도상승, 폐기물처리 등의 문제점은 제쳐놓고라도, 1세기 안에는 반드시 새로운 형태의 에너지자원을 발굴해야한다는 문제가 제기된다. 바다물 속에 1ℓ당 20㎎ 정도 있는 중수소를 핵융합에 이용할 경우 약${10}^{8}$Q 정도의 에너지를 확보할 수 있고 이는 인류가 거의 10억년을 사용할 수 있는 양이다.
핵분열과 핵융합
E=mc².
아인슈타인의 유명한 이 공식은 핵융합(Fusion)및 핵분열(Fission)을 이해하기 위한 기초를 제공한다. 질량은 에너지로 전환될 수 있다는 아인슈타인의 이론은 두가지 실제적이고 구체적인 방법들로 연구되었다. 한방법은 우라늄 같은 무거운 원자들이 갈라질때 원자를 구속하는 내부에너지를 방출하는 핵분열이고(이 핵분열에너지는 세계도처에서 원자력 발전이란 이름으로 사용되고 있다. 작년 우리나라 발전양의 약50%를 원자력 발전이 차지하고 있다), 다른 방법은 앞으로 설명할 수소 같은 가벼운 원자들을 결합하여 질량을 에너지로 바꾸는 핵융합이다.
모든 원자는 원자의 거의 모든 질량을 갖는 핵(nucleus)을 중심에 갖고 주위에 음전하를 갖는 전자들로 싸여 있다. 원자의 핵은 양전하를 갖는 양성자 및 중성자로 구성되어 있다. 따라서 정상상태에서 전기적으로 원자는 중성이나, 온도가 매우 고온으로 올라가면 전자는 떨어져나가고 양전하를 띤 핵과 전자로 구성된 이온화된 기체(Ionized gas)상태로 되고, 이를 우리는 플라즈마 라고 부른다. 여기서 양전하를 띤 핵들이 쿨롱 반발력(Coloumb repulsion)을 이기고 가까운 거리에서 강하게 작용하는 핵력(nucleus force)에 의해 결합될때 핵융합 반응이 일어나게 된다.
많은 종류의 핵융합 반응이 태양 및 다른 별들에서 일어나지만 지구상에서 가장 용이한 핵융합 반응은 수소들의 동위원소 상에서 이루어져야 하며 이들은 수소(H) 중수소(D) 삼중수소(T)이다(그림1).
이경우 핵융합 반응은 다음과 같다
D+D→${}^{3}$He+n+3.2Mev
D+D→T+P+4.0MeV
D+T→${}^{4}$He+n+17.6Mev
D+${}^{3}$He→${}^{4}$He+P+18.5Mev
(MeV=Milion electron Volt 백만전자볼트, 1MeV=1.52×${10}^{-16}$BTV=4.45×${10}^{-20}$KWhr)
이중에세 가장 낮은 온도에서 일어나는 반응은 중수소와 삼중수소의 결합에서 오는 핵융합반응이다 (그림2). 이경우 대부분의 에너지(질량결손으로부터 오는)는 이 반응에서 나오는 중성자의 운동에너지이므로 이 중성자의 에너지를 이용해야 한다.
제4의 상태, 플라즈마
물체의 온도를 올리면 물체는 고체 액체 기체상태를 거쳐 이온화된 상태가 되고 이를 우리는 플라즈마상태 혹은 제4상태라고 부른다(그림3).이 플라즈마의 온도를 더욱 높이면 양전하를 띤 핵들은 더욱 빨리 운동하게 되고 이들이 고속으로 충돌하면, 양전하들 사이의 척력을 이기게 되어 핵들은 결합되고 에너지를 방출하게 된다.
따라서 고온으로 플라즈마를 가열해야 하며 따라서 플라즈마 가열기술 및 플라즈마의 성질,진단을 위한 플라즈마 물리학이 필요하게 되었다.
계산에 의하면 플라즈마를 가열하는데 필요한 에너지보다 핵융합 반응에서 오는 에너지가 더 크기 위해서는, 플라즈마의 온도(T), 밀도(n)및 플라즈마를 일정시간 이상으로 가두어 두는 폐속시간(ξ)이 일정 조건으로 요구된다. 이 조건을 로스조건이라 부르며, D-T 반응의 경우 10Kev의 온도에서(약1억도℃) 밀도(n)와 폐속시간(ξ)이 ${10}^{14}$ ${cm}^{-3}$sec 보다 큰값을 가져야 한다.
로슨조건 ; nξ≥ ${10}^{14}$ ${cm}^{-3}$sec
문제는 이러한 고온에서(태양의 내부보다 6배나 높은온도) 어떻게 D-T 플라즈마를 로슨조건에 맞는 밀도와 폐속시간으로 유지, 감금시키느냐에 있게된다. 지구상에는 이러한 고온에서 견딜수 있는 용기가 없으므로 플라즈마를 유지, 감금시키는 데는 다른 방법을 사용해야 한다. 플라즈마는 전하를 가짐으로써 원칙적으로 자기장에 의해서 감금될수 있다(그림4). 또 다른 방법은 밀도를 높여 감금시간을 줄여서 실제로 감금을 안하는 것이다. 앞의 방법을 '자기장 감금'(Magnertic Confinement), 나중의 방법을 '관성 감금'(Inetial Confinement)이라 부른다. 이 두가지 방법을 살펴보자.
■ 토카막 플라즈마 감금
여러가지 자기장을 이용한 감금방법이 지난 30년간 연구 되어졌다. 이중에서 가장 큰 관심을 끈 개념은 토카막 개념이었다. 그럼 이 토카막의 원리를 살펴보자. (그림4)에 보여진 것처럼 하전입자들은 자기장 속에선 자기장에 직각으로 움직이는 성분은 로렌츠힘($\overrightarrow{F}$＝q$\overrightarrow{V}$×$\overrightarrow{B}$)을 받아 원운동을 하므로 벽쪽으로 가지못하게 되고, 자기장에 수평으로 움직이는 입자는 힘을 받지 못하고 빠져나가게 된다. 그러므로 (그림4)의 원통을 (그림5)와 같이 '토러스'(torus)형으로 만들면 감금을 효과적으로 할수 있게 된다.
또한 자기장은 플라즈마나 도선을 통해 흐르는 전류에 의해 생기므로 강한 자기장을 만들기 위해선 많은 전류가 필요하게 되고 따라서 도선에서 발생하는 열손실이 증가하게 된다. 대개 자기장의 강도의 한계 때문에 플라즈마 밀도는 ${10}^{14}$/㎤ 정도로 제한되며, 고로 플라즈마를 자기장에 가두어 두는 시간은 1초 이상 필요하게 된다. 그러나 자기장을 충분히 강하게 하여도 충돌과 여러 확실치 않은 현상들 때문에 플라즈마가 충분한 시간 동안 감금 유지되지 못하고 벽쪽으로 확산되어진다.
폐속시간은 십수년에 걸친 연구결과로 많이 진전되어 현재 프린스턴의 TFTR(토카막 장치에 의한 핵융합 시험장치의 약어)의 경우, 에너지의 입출력을 같게 하는 핵융합 연구의 첫번째 과제를 거의 달성하였다. 여기서 에너지의 입출력이 같게 되는 경우를 '과학적 분기점'(Scientific breakeven)이라고 부른다. 즉 분기점의 의미는 로스조건을 넘는것에 해당한다. 현재는 고온 초전도체의 발견과 함께 강한 자기장을 만들수 있는 가능성이 생겨 더욱 유망하게 되었다.
레이저 핵융합
레이저 핵융합(Laser-fusion)은 '관성감금'이라 부르는 방법이며 최근 10년 동안 고출력 레이저의 발전과 함께 급속히 발달되어 왔다. 이것은 '작은 구'(Pellet이라 부른다)안에 중수소와 삼중수소로 채워진 핵융합 연료에 고출력 레이저에너지를 집중적으로 조사하여 연료를 순간적으로 가열하는 방법이다.
이 가열에 의해 연료 입자들이 팽창, 분출되며 그 반작용에 의해 순간적으로 다시 연료가 채워진 작은구를 압축하여 중심부에서 고체밀도의 1천배 정도의 고밀도 플라즈마를 발생시킬수 있다. 그결과 중심부가 핵융합에 필요한 온도에 도달하게 되면, 불과 1ns(${10}^{-9}$초)이내의 짧은 순간에 반응이 끝나고 이때 조사했던 레이저 에너지의 수백배 정도의 핵융합 에너지를 얻게된다는 것이 기본 구상이다.
이를 위해서는 효율이 높은 강력한 레이저 시스팀을 개발하는 것, 이득이 높은 연료소구의 설계와 제조법의 확립, 폭죽로에 관한 실험을 통해 로구조에 따른 동작원리를 이해하는 것 등이 선결돼야 한다.
레이저 핵융합 연구는 각국의 많은 연구소에서 수행되고 있다. 미국의 로렌스리버모어 연구소의 노바(NOVA)레이저 핵융합 장치를 예를 들면, 직경 1백㎛(0.1㎜) 이하의 작은구를 10개의 소구주위에 대칭적으로 배열된 고출력 펄스레이저로 조사하는 것이다. 레이저 펄스는 1㎱(${10}^{-9}$초)안에 200KJ의 에너지를 주도록 되어있어 펄스시간동안 약 ${10}^{14}$W(watt)의 일률을 가지며, 이것의 크기는 전 지구상에서 생산되는 전력의 약 1백배 정도의 힘이다. 이처럼 강한 레이저광으로 작은 연료구를 소형 수소폭탄 처럼 초당 수십개를 폭발시켜 에너지를 얻는것이 레이저열 핵융합로의 원리이다.
폐기물이 없다
우선 에너지원으로서의 핵융합의 잇점을 요약하면 다음과 같다.
△연료인 중수소는 보통 물에서 쉽게 얻을 수 있으며 삼중수소 역시 바닷물에 있는 리튬으로 부터 쉽게 얻을 수 있다. △핵융합로 안의 연료는 작은양씩 주입되므로 오작동시, 플라즈마가 용기벽을 때리고 냉각되는 것으로 끝나므로 매우 안전하다고 할 수 있다. △화석연료나 원자력발전과는 달리 사용후 폐기물이나 공해가 없다. △핵융합의 산물은 핵분열의 산물과는 달리 무기로 쓰일 염려가 배제된다. 그럼 위와 같은 여러장점을 갖는 핵융합의 가능성은 어떨지 살펴보자.
자기장에 의한 감금방식을 보면 가장 유망한 토카막 방식을 들 수 있다. 토카막은 원래 소련에서 나온말로 도너스형 자기장을 뜻한다. 현 로슨조건(Breakeven)에 소련을 도달했으나 아직 점화에는 성공하지 못했고, 미국의 TFTR 등이 거의 로슨조건, 즉 분기점(Breakeven)에 도달한 것으로 보인다.
국내에도 서울공대 핵공학과에 SNUT79라는 토카막이 건설되었고(사진참조) 에너지 연구소에도 소형이 건설되었으나 아직 초기단계이다. 현재 많은 노력이 경주되고 많은 진전이 있으나, 아직도 공학적인 문제가 해결 안되고 있어 실용적인 핵융합발전로 건설은 다음 세기 초반 이후일 것으로 추정된다.
레이저 핵융합은 자기장플라즈마 보다 훨씬 늦게 연구가 시작되었으나, 집중적인 연구의 결과 현재는 그 실용 가능성이나 기술 진보면에서 자기방 방법의 수준까지 도달한 것으로 보인다. 일본 오사카 대학의 야마나카교수는 핵융합로의 개념설계를 한결과 레이저 효율이 5%이상, 열·전기 전환효율이 40%이상, 연료구의 이득이 5백정도 되어야 한다고 발표한 바 있다. 따라서 다음의 과제들이 핵융합을 성공시키기 위해선 필요하다고 생각된다.
우선 효율이 높은 강력한 테라 와트급(~${10}^{14}$W)의 레이저 시스팀을 개발하는것, 둘째 이득이 높은 연료소구의 설계와 제조법, 세째 폭죽로의 건설 및 8개 이상의 레이저빔을 타겟에 일치시키는 것 등이다. 미국 일본 등 몇개국은 이미 테라와트급의 레이저를 보유, 건설중에 있고 일본 오사카대학, 미국의 로렌스 리버모어 연구소들은 활발히 레이저 핵융합실험을 이끌어 가고 있다. 국내에도 대덕의 과학기술원에 테라와트급 고출력레이저를 건설할 예정으로 있다. 아밖에도 일본 오사카대학, 미국의 샌디아국립연구소 등에서 가속기를 사용하는 이온빔에 의한 핵융합을 시도하고 있다.
현재로는 너무나 많은 물리학적 공학적인 문제들이 걸려있어 불가능하게 보일 때도 있으나, 불가능한 것 같이 보였던 많은것을 가능케한 우리 인류의 저력을 생각할때 언젠가는 핵융합로가 건설되어 무궁한 에너지를 마음대로 쓸날이 올것을 믿는다.
태양은 거대한 핵융합로
태양은 3.9×${10}^{26}$W의 빛을 수십억년 동안 방출하여 왔고 앞으로도 그럴 것으로 추정된다. 이 에너지란 전 지구상에서 생산되는 전력의 약 ${10}^{12}$배 정도의 양이다. 어디서 이 많은 양의 에너지가 오는 것일까?
화학반응이라는 가정은 우선 제외된다. 왜냐하면 만약 태양이 석탄과 산소로 되어 있다면 이만한 열을 불과 1천년밖에 내지 못한다. 다음의 가능성은 태양이 천천히 수축하면서 중력에너지를 열에너지로 바꾸어, 이것에 의해 태양의 온도가 유지되고 이것이 빛을 방출하는 것으로 보면, 계산결과 태양의 수명이 지금보다 5백분의 1로 줄어든다.
따라서 유일한 가능성은 핵융합 반응밖에 없다. 태양에서의 핵반응은 표에서 보는 것처럼 몇 단계의 과정을 거친다.
수소와 수소의 반응부터 시작되는데 이 반응은 매우 느려서 ${10}^{26}$개의 충돌에 1개 정도의 중수소를 얻어낼 수 있고 이러한 느린 반응과정이 태양이 폭발하는 것을 막아주는 안전장치이다. 비록 느린 반응이지만 태양은 워낙 많은 수소를 갖고 있으므로 초당 약 ${10}^{12}$㎏정도의 중수소를 생산한다. 일단 중수소가 생성되면 이것은 즉시 다른 수소와 결합 헬륨(${}^{3}$He)을 만들고 이 ³He들은 서로 결합하여 a입자(${}^{4}$He)로 변한다. 즉 수소를 a입자로 바꾼다는 점에서 볼 때 태양은 연금술의 한 방법을 제공한다고도 볼 수 있다.
계산에 의하면 태양에는 아직 충분한 수소가 있어서 앞으로도 50 억년 정도 태울 수 있다고추정된다. 그러나 50 억년 후엔 태양의 수소는 거의 타고 설명한 바처럼 a입자인 ${}^{4}$He만 남게 된다. 태양은 식고 자신의 중력 때문에 수축되어 핵을 압축시키고 이것이 다시 중심온도를 올려 외각이 팽창하게 된다. 이 경우를 적색거성이라고 부른다.
만약 핵온도가 매우 올라가면 헬륨이 탄소가 되는 핵융합이 진행되면서 많은 에너지가 다시나오게 된다. 별들이 진화하면 더 뜨거워지고 여러 다른 원소가 핵융합 반응에서 얻어지게 된다. 주기율표에서 A=56보다 더 큰 원소는 '슈퍼노바'(Supernovas)라 불리는 별의 대폭발 동안 중성자를 포획함으로써 얻어지는 것으로 생각된다. 지구에 있는 무거운 원소들은 이러한 폭발의 잔해를 갖는 성간물질로부터 응축되어 생겼다고 보여진다.
