또한 국제 핵융합 실험로 사업인 ITER 역시 11월께 국가간 공식서명을 통해 핵융합 발전 실용화의 첫 단추를 꿰게된다.
이에따라 미래의 고효율 에너지원중의 하나였던 핵융합 기술이 실험실 수준을 벗어나 현실적인 상용화 기술의 대표주자로 새롭게 조명되며 이를 둘러싼 국가간 협력과 경쟁 또한 가속화 될 전망이다.
청정 에너지원으로의 강점
지상의 ‘인공태양’으로 불리우는 ‘핵융합’ 기술은 그 별칭에 걸맞게 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 인공적으로 만들어내 이를 전기 등의 에너지로 바꾸는 것이다.
태양이 지구를 향해 쏟아내는 빛과 열에너지는 모두 태양에서 일어나는 ‘핵융합’ 반응에 의한 것이다. 이 핵융합 반응은 원자력 발전에 사용되는 핵분열 현상이 원자가 쪼개지며 발생하는 에너지를 이용하는 것과는 반대로 원자가 결합하는 ‘융합’과정에서 발생하는 에너지를 이용하는 것이다.
특히 핵융합 발전은 최소의 연료로 최대의 에너지를 발생시키는 고효율 에너지원일 뿐만 아니라 원자력 발전 대비 0.04%라는 저준위 방사선 물질이 유출되는 청정에너지라는 강점을 갖고 있다.
이에 따라 실험실 수준에 머물렀던 핵융합 기술은 최근 들어 석유자원의 고갈과 화석연료에 의한 온실가스, 지구온난화 등 전 지구적으로 직면한 문제들을 해결할 수 있는 대안으로 이목을 집중시키고 있다.
더욱이 세계 4위의 원유수입국으로 매년 8억3천만 배럴 이상의 원유를 수입하고 있는 한국으로서는 석유자원의 고갈과 교토협약에 따른 온실가스 규제로부터 자유로운 고효율 청정 에너지원이 시급히 필요한 셈이다. 이는 에너지 자급률이 취약한 유럽과 일본이 핵융합 기술 개발에 보다 적극적인 자세를 취하는 것과 같은 맥락이다.
이와 관련 핵융합연구센터 신재인 소장은 “석유자원의 고갈은 이미 예정된 수순이다. 태양열, 풍력 등의 신재생에너지 역시 선진국들은 전체 에너지 소비의 15% 이하의 비중으로 보고 있다.
결국 현재의 화석연료가 차지하는 에너지 분담비율을 대체하는 새로운 고효율 동력원이 필요하다. 또 대량공급이 가능해야 한다는 요구조건을 가장 잘 수용할 수 있는 기술이 바로 ‘핵융합’ 기술이다. 그렇기 때문에 선진국들이 경쟁적으로 이 기술에 투자하는 것이다”고 강조한다.
11년8개월간 3천90억원 투입
50년대부터 핵융합 기술을 연구한 유럽, 일본, 미국 등 선진국과 비교해 일천한 역사를 가진 국내 핵융합 기술을 국제적인 수준으로 끌어올리는 KSTAR(Korea Superconducting To- kamak Advanced Research)는 95년 국가 핵융합에너지개발 기본계획에 따라 추진됐으며, 이를 통해 국제 핵융합 실험로 프로젝트인 ITER에 참여하는 밑거름이 됐다.
즉 KSTAR는 핵융합 발전 상용화라는 종착역을 향한 마지막 급행열차인 ITER호에 올라타기 위해 한국이 쥐고 있는 한 장의 티켓인 셈이다.
오는 2007년 8월 완공을 목표로 한 KSTAR는 그동안의 부진을 털고 오는 10월 초전도 중심코일 조립작업을 마칠 계획이다.
초전도 중심코일 조립작업은 KSTAR의 성공 여부를 가름하는 잣대로 이 작업 이후에는 전기장치와 통제장치 등 주변기기들을 연결시키는 수준의 작업만이 남아있을 뿐이다. 95년 이후 완공까지 11년8개월이라는 대장정과 3천90억원이라는 적잖은 사업비가 투자된 KSTAR 사업이 마지막 고비를 넘어서는 셈이다.
내년 8월 KSTAR가 완공되면 300초 이상 고온 플라즈마를 지속하는 테스트를 진행하게 된다. KSTAR는 직접 전기를 생산하는 시설을 갖추고 있지 않지만 초전도체를 이용해 고온 플라즈마를 통제하고 지속시간을 늘리는데 목적을 두고 있다.
핵융합연구센터 KSTAR사업단 박주식 단장은 “고온의 플라즈마를 보다 압축함으로써 핵융합의 효율을 획기적으로 높이는 것이 KSTAR의 기술적 의미이다. 이는 KSTAR가 직접 전기를 생산하지 않지만 플라즈마를 효율적으로 통제함으로써 보다 많은 전기를 생산할 수 있는 기술적 근거를 제공하는 셈"이라고 지적한다.
블랑켓·토카막 운영기술이 성패좌우
현재 국내 핵융합 관련 기술력에 대해 박 단장은 “한국은 원자력 발전소 건설 기술과 플랜트·조선 등의 중공업이 발달했기 때문에 토카막 건설 기술과 초전도 자석 기술은 선진국의 약 80% 수준으로 평가되고 있다.
반면 토카막 내부에 설치돼 고온의 플라즈마를 견디며 전기를 생산해 내는 ‘블랑켓(blanket)’ 기술은 매우 취약하고 토카막 운영 기술 역시 선진국의 40% 수준”이라고 평가했다. 이는 KSTAR와 ITER를 통해 해결해야 할 최대 과제인 동시에 한국형핵융합발전소(KSFP) 개발 가능성을 좌우하는 핵심요소다.
오는 2015년 완공을 목표로 하는 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)는 한국을 포함해 EU·미국·일본·러시아·중국·인도 등 7개국이 참여하는 핵융합 공동 프로젝트다.
ITER는 핵융합 상업발전을 위한 최종 실험으로 평가되고 있으며, 약 1,000초 동안 플라즈마를 지속시켜 500MW 이상의 전기 생산을 목표로 하고 있다.
또한 현재 각국이 보유하고 있는 토카막이 핵융합을 위해 투입되는 에너지와 동일한 수준의 전기를 생산했던것과 달리 ITER는 투입되는 에너지의 약 10배에 해당하는 전기생산을 달성할 계획이다.
단일 프로젝트로는 적지않은 금액이 투자되는 ITER 프로젝트 참여가 낭비가 아니냐는 지적에 대해 핵융합연구센터 ITER사업단 정기정 단장은 “ITER에 대한 한국의 투자분담액은 총 투자비의 9.09%이다. 이 금액의 70%는 현물투자로 국내 기업들이 장비를 생산해 공급하므로 참여기업의 매출로 기록되며 일부 현금투자 역시 ITER에 파견된 한국 직원들의 급여와 체재비 등이다. 또 ITER를 통해 토카막에서 전기를 생산하는 핵심기술을 배울 수 있다면 상대적으로 값싼 투자”라고 설명한다.
ITER 통해 상업화 개발비 공동분담
즉 국내에서 KSTAR 이후 핵융합 상업발전 연구를 중단하지 않는다면 ITER 수준의 프로젝트를 독자적으로 진행해야 하지만, ITER를 통해 선진국과 투자비를 공동분담하고 기술을 습득할 수 있다면 보다 효율적이라는 논리다.
ITER를 통한 기술 습득이 용이할 것인지에 대해 정 단장은 “올 11월까지 국가간 공식서명과 국회비준 등을 거치고 나면 2007년에는 ITER 국제기구가 발족된다. 여기에는 일본이 사무총장을 맡고 나머지 6개국 대표가 각 분과별 사무차장을 맡으며 ITER 건설과 운영에 대한 모든 기술은 참여 7개국이 공유하게 된다.
또한 참가국 이외의 국가에 관련 기술을 팔거나 전달하기 위해서는 참가 7개국이 만장일치로 동의해야 한다. 우리가 보유한 기술이 적기 때문에 핵융합 상업발전을 위한 원천기술을 배우는 것이 가능하다.
하지만 핵융합 상업발전을 위한 길이 계획처럼 순탄한 것 만은 아니다. 우선 현재의 기술수준으로 상업발전에 걸맞는 수준의 효율성을 얻기 어렵다는 점이며 미래의 에너지원으로 핵융합만이 유일한 대안이 아닌 미완의 기술이라는 것이다.
핵융합 상업발전을 준비하는 20여년의 기간동안 태양열이나 풍력 또는 다른 에너지원이 부각된다면 핵융합의 의미는 상당부분 퇴색할 수 밖에 없다.
이에 대해 신 소장은 “국가의 에너지 수급 전략 차원의 문제다. 새로운 대안이 나올때 까지 손놓고 기다릴 것이 아니라 가장 유망한 기술에 투자해 선진국과의 기술격차를 줄여야 한다. ITER를 통해 상업발전이 가능해진 뒤 참여하려면 현재보다 수십배에 달하는 비용을 지불해야 한다”고 지적한다.
풀어야할 마지막 숙제
이밖에 ITER를 통해 선진국이 핵심기술을 습득하는 것도 쉬운일이 아니다. ITER는 각국이 보유한 기술을 토대로 제작한 장비를 공급하는 것이므로 한국이 직접적으로 관여하는 부분을 제외하면 조립작업이나 외관을 둘러보는 수준에 그칠 수도 있다.
단지 건설작업과 운영에 따른 결과물을 공유하는 수준에 만족해야 할 가능성도 적잖다.
핵융합 상업발전에 핵심기술이면서 한국에는 전무한 수준인 ‘블랑켓 기술을 확보하는 것이 한국형핵융합발전소(KSFP) 개발을 위한 피할 수 없는 과제인 것이다.
대덕 = 강재윤 기자 hama9806@sed.co.kr
INTERVIEW - 신재인 핵융합연구센터 소장
핵융합 상업발전의 시발점
연구조직을 사업조직으로 개편… 플라즈마로 수소생산기술도 확보
KSTAR 건설의 마무리 작업과 ITER의 본격 가동 등으로 핵융합 기술에 대한 관심이 고조되고 있다. 이들 작업을 총괄하는 대표기관인 핵융합연구센터의 신재인 소장을 만나 국내 핵융합 기술의 현주소와 ITER 등 국내외 전망에 대해 들어봤다.
● 최근 핵융합 발전이 부각되고 있는 반면 먼 미래의 기술이라는 비판도 있는데?
“핵융합 발전이 1~2년간의 연구를 통해 결실을 얻을 수 있는 것이 아니다. 원자력 발전소를 짓는 것 이상의 시간이 소요될 수밖에 없다. 현재 ITER 등 국제적인 추세를 본다면 핵융합을 이용한 실험적 발전이 2025년, 상업발전이 2040년 정도면 가능할 것으로 보고있다. 이러한 타임 스케줄에 맞춰 역산을 해보면 실험용 발전시설은 2020년께 건설해야 하고 상업 발전시설 역시 2030년경에는 건설돼야 한다. 결국 현재를 기준으로 향후 10년 이내엔 기본적인 준비작업이 마무리돼야 한다는 것이다. 이렇게 본다며 먼 미래의 기술이 아니라 코 앞에 닥친 셈이다.”
● 약 8천3백억원이 투자되는 ITER 참여가 낭비라는 지적도 있다.
“한방울의 석유도 나지 않는 국내 상황에서 에너지 수급 전략은 국가경제 뿐만 아니라 국가의 사활을 좌우하는 문제다. 유럽을 비롯 미국·러시아·일본·중국·인도 등과 함께 한국이 어깨를 나란히 해 참여하는 ITER 프로젝트다. 여기에 10년간 소요되는 8천3백억원의 비용은 낭비로 치부할 수 있는 문제가 아니다. ITER에 소요되는 비용이 넉넉히 잡아 연간 1천억 수준이라면 매년 10조원에 달하는 국가 R&D 비용의 1%에 불과하다. 한 예로 중국마저 막대한 연구비를 부담하며 참여했던 인간 유전자 지도 구축 프로젝트에 한국이 참여하지 않음으로써 향후 겪게 될 어려움을 금액으로 환산한다면 초기 투자비에 비교할 수 있는 문제가 아니다. 국가 에너지 연구 및 에너지 수급 전략이라는 큰 틀에서 본다면 낭비라는 지적이 있을 수 없다.”
● 핵융합연구센터의 최대과제가 KSTAR와 ITER인가?
“아니다. 결론부터 말하면 핵융합을 이용한 상업발전을 실현해 석유자원 고갈에 앞서 국가 에너지 수급을 원활하게 하는 것이다. KSTAR는 ITER 협상국가중 유일하게 토카막이 없는 국가라는 한계를 털어내고 다른 ITER 참가국들로부터 한국의 기술력과 참가 승인을 이끌어내는 수단이다. 또한 ITER는 핵융합 상업발전을 위한 국제적인 프로젝트다. 단일국가가 할 수 없는 거대 프로젝트를 7개국이 분담하는 것으로 이를 통해 한국은 핵융합 발전의 기술력을 확보하게 된다. KSTAR 운영과 ITER 참여를 통해 축적된 기술력으로 한국형핵융합발전소(KSFP)를 개발, 핵융합 상업 발전에 나서는 것이 최대과제다.
● 핵융합연구센터가 독립기관이 아닌 것으로 알고 있는데, 문제는 없는가?
“현재 핵융합연구센터는 (한국기초과학지원연구원의)부설기관으로 돼있다. ITER 프로젝트의 일정을 보면 오는 10월에 공동이행협정에 대한 국가간 공식서명이 이뤄지고, 11월에는 각국의 국회 비준을 거쳐 2007년 ITER 국제기구가 창설된다. 이때 한국측의 실제 업무를 담당하는 법률적 독립기관이 요구되기 때문에 오는 10월까지 독립기관이 돼야한다.”
● ITER 이후의 과제는 무엇인가?
“KSTAR는 토카막 건설기술과 플라즈마를 자유롭게 다루는 운용능력을 확보할 뿐만 아니라 ITER에 진입하는 토대다. 핵융합을 통해 실제적으로 전기를 얻어내는 것이 목표인 ITER는 상업발전의 토대다. 즉 ITER는 종착지가 아니라 핵융합 상업발전의 시발점인 셈이다. ITER를 통해 얻어낸 결과물은 7개국이 공유하지만 상업발전은 독자적으로 진행할 수도 있다. KSTAR가 연구성 조직을 필요로 했다면 ITER 단계부터는 사업성 조직이 필요하다. 이를 위한 준비작업의 하나로 지난 7월 18일 국무회의를 통과한 ‘핵융합에너지진흥법’이 이달중 국회를 통과하기를 기대한다. ”
● ‘핵융합에너지진흥법’이 갖는 의미는 무엇인가?
“핵융합 상업발전을 위한 사업성 조직을 갖추고 준비하기 위한 법률적 근거를 확보하는 것이다. 이 법이 통과되면 핵융합 에너지의 (상업적)이용 및 개발을 위한 정부지원이 가능해지고 전담 연구기관과 산업체에 정부가 투자하는 것이 가능해진다. 또한 이와 관련된 기금조성 및 각종 기금으로부터 지원을 받는 것 등이 가능해진다. 명실공히 핵융합 에너지의 상업화의 법률적 토대가 마련되는 것이다.
● 핵융합 발전을 위해 가장 시급한 과제는?
“가장 필요한 부분이 핵융합 관련 인력양성이다. 현재 KSTAR를 추진하면서 국내의 핵융합 관련 인력을 모두 끌어 모으다 시피했다. ITER 건설이 시작되면 KSTAR 관련 인력 대부분이 파견돼야 하는 실정이다. 핵융합 관련 인력양성과 기술자립이 가장 시급한 과제다.”
대덕=강재윤 기자 hama9806@sed.co.kr
핵융합과 핵융합 발전이란?
핵융합이란 태양이 뜨겁게 달아오르는 현상을 말한다. 일반 상식선에서 볼 때 무엇인가가 타오를 때는 산소와 함께 목재, 석탄, 석유 등과 같은 탈 재료가 있어야 한다.
하지만 태양을 태우는 것은 다름 아닌 수소다. 각각의 가벼운 수소원자가 융합해 무거운 헬륨원자가 생성되는 과정에서 중성자와 막대한 열에너지가 방출된다.
이 열에너지와 중성자를 이용해 전기를 생산하는 것이 핵융합 발전이다.
하지만 태양에서 끊임없는 핵융합 연쇄반응이 이어지는 반면 지구상에서 핵융합 반응을 일으키는 것은 손쉬운 일이 아니다. 지구상에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 약 1억~3억℃에 달하는 고온 플라즈마(Plasma) 상태가 필요하다.
플라즈마란 물질의 상태를 나타내는 고체, 액체, 기체의 개념을 뛰어넘는 제 4의 물질 상태를 나타내는 것으로 플라즈마 상태에서는 원자의 핵과 전자가 분리돼 자유롭게 움직이고 있는 상태를 말한다.
이처럼 원자핵과 전자가 분리된 상태에서는 핵융합이 손쉽게 이뤄지며 핵융합을 통한 열에너지를 활용할 수 있게 된다.
그러나 약 1억℃ 이상에 달하는 고온의 플라즈마를 생성하는 것도 어려운 일이지만 핵융합의 연쇄반응이 발생하도록 고온 플라즈마를 특정공간에 가둬두는 것 조차도 손쉬운 일이 아니다.
현재 KSTAR와 ITER에 사용되는 토카막은 극저온의 초전도체를 이용해 고온의 플라즈마를 토카막 내부의 어디에도 닿지 않고 공중에 떠있는 상태로 만드는 방식이다.
이 플라즈마를 이용해 중수소와 삼중수소의 핵융합이 일어나고 헬륨과 다량의 중성자가 발생한다. 이때 발생하는 열 에너지를 이용해 발전기를 가동시키고 전기를 만들어 내는것이다.
즉 원자력발전과 비교해 핵분열을 이용하는 원자로가 핵융합을 일으키는 토카막으로 바뀌었다는 것을 빼면 전기를 발생시키는 구조는 매우 유사하다.
다만 현재의 기준으로 볼때 원자로는 IAEA의 감시대상인 핵물질을 연료로 사용하고 고준위 방사선 폐기물이 발생하는 대신 안정적 전기생산이 가능하다.
반면 핵융합 토카막은 손쉽게 얻을 수 있는 중수소와 삼중수소를 연료로 사용하고 저준위 방사선 폐기물이 발생하지만 상업발전을 위한 안정적인 전기생산이 어려운 상황이다.
핵융합에 대한 궁금증 10가지
1. 핵융합 발전시 폭발 위험성은
- 연료 공급이 중단되면 핵융합 반응이 중단되고 고온의 플라즈마도 사라지기 때문에 안전하다. 다만 화재 등 일반 발전 시설물에서 발생할 수 있는 수준의 위험만이 있을뿐이다.
2. 방사능 문제도 안전한가
- 방사능이 발생하지만 원자력 발전의 0.04% 수준인 저준위 방사능 폐기물이 발생한다. 현재의 기술력으로 충분히 통제 가능한 수준이므로 안전하다고 볼 수있다.
3. 연료는 무엇인가
- 중수소와 리튬에서 얻어지는 삼중수소다. 바닷물 1리터에는 0.03g의 중수소가 있으며 휘발유 300리터에 해당하는 에너지를 낸다. 리튬은 1천5백만년간 사용분이 매장돼 있다.
4. 핵융합은 토카막을 통해서만 가능한가
- 토카막 이외에 스텔러레이트(Stellarator) 방식과 고출력 레이저를 이용하는 방법 등 여러 가지이다. 다만 토카막을 이용하는 방식이 효율성이 높은 것으로 평가되고 있다.
5. 고효율 이라는 의미는 무엇인가
- 1g의 연료로 10만Kw의 전력을 생산할 수 있을 것으로 예측된다. 이는 200g의 삼중수소로 고리 원자력 발전소의 2배인 1백만Kw급 핵융합 발전소를 1일동안 가동할 수 있다.
6. 현재 기술수준으로도 고효율인가
- 현재는 핵융합을 일으키기 위해 투입되는 에너지와 동일한 수준의 에너지만이 생산되고 최고 수준이 1.25배 수준이다. ITER에서는 10배의 에너지 생산이 목표다.
7. 1억℃ 플라즈마에 녹지 않는 물질이 있나
- 고온 플라즈마는 토카막이라는 도우넛 형태의 진공용기안에 떠 있는 상태다. 외부에 있는 극저온의 초전도체가 발생하는 자력에 의해 벽면과 접촉없이 떠있게 된다.
8. ITER는 어디에 건설되는가
- 프랑스 카다라쉬에 건설된다. 초기에는 캐나다가 후보지였으나 캐나다가 ITER에서 배제됨에 따라 2005년 프랑스의 카다라쉬로 결정됐고, 2015년 완공후 20년간 운영된다.
9. 7개국만이 ITER에 참여한 이유는
- ITER는 연구비가 아닌 기술을 투자하는 개념이므로 일정수준의 기술을 인정받아야만 참여할 수 있다. 한국은 원자력 발전소 구축 경험과 중공업의 강점으로 참여할 수 있었다.
10. 언제쯤 핵융합 발전이 이뤄지나
- 2015년 ITER 완공과 운영 이후 2035년께 시험적인 핵융합 발전소가 건설되고 2040년 이후에는 상업발전이 이뤄진다. 최근에는 이보다 약 5년 정도 앞당겨진다는 예측도 있다.
에너지원의 변화가 바꾼 세계사
18세기 중엽 영국에서 발명된 증기기관은 산업혁명을 이끌었고 다시 영국을 중심으로 한 서구 열강의 식민지 지배라는 세계사적인 변화를 이끌었다.
하지만 19세기 중반 독일에서 가솔린을 사용하는 내연기관을 실용화 시키자 에너지 효율이 낮았던 증기기관은 역사속으로 사라졌고, 내연기관은 1, 2차 세계대전의 핵심 동력원이었다.
이 내연기관은 21세기에도 여전히 그 위력을 발휘하고 있지만 2차 세계대전의 종지부를 찍고 미국을 무소불위의 패권국가로 올려놓은 것은 바로 원자력이었다.
새로운 고효율 동력원의 출현은 세계사 전반에 걸친 사회 문화적 변화를 필연적으로 이끌어 냈고 새로운 패권국가의 지배력을 강화시켰다.
이제 원자력보다 안전하고 고효율의 동력원이 나타난다면 이 동력원의 지배력을 확보한 국가가 세계 패권국가의 일원이 될 것이라는 예측은 단순한 등식인 셈이다.
현재 인류가 예측 가능한 미래의 에너지원으로는 태양 에너지를 비롯 풍력, 조력, 지열 등이 거론되고 있지만 고효율 동력원의 선두주자는 다름 아닌 태양 에너지이다. 하지만 태양은 너무나도 먼거리에 있고 인류가 손쉽게 다룰 수 있는 존재도 아니다. 이에 인류가 찾아낸 해답이 인공태양, 곧 ‘핵융합’ 기술이다.
이 핵융합 기술의 실용화를 위해 세계 열강이 발빠른 움직임을 보이고 있으며 한국 또한 일천한 핵융합 연구역사에도 불구하고 기술주도 국가의 하나로 자리잡기 위해 KSTAR 건설 및 ITER 참여에 나서고 있다.
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