[일문일답]핵융합 연구 중·일과 격차 벌려···'꿈의 에너지' 구현한다

by강민구 기자
2020.11.24 13:04:53

[이데일리 강민구 기자] “핵융합 연구의 중심축은 미국, 유럽에서 한국, 중국, 일본 등 아시아권으로 이동했다. 그중에서도 한국은 가장 앞선 장시간 운전기록과 플라즈마 제어기술을 보유했다.”

한국의 ‘인공태양’ KSTAR가 1억도의 온도에서 20초 운전을 기록하며 세계 핵융합 연구개발사를 새로 썼다. 실험을 주도한 윤시우 한국핵융합에너지연구원 KSTAR 센터장은 초전도 핵융합연구장치인 KSTAR의 우수성을 강조하며 이같이 밝혔다.

윤시우 한국핵융합에너지연구원 KSTAR 센터장이 핵융합 연구에 대해 설명하고 있다.(사진=강민구 기자)

핵융합 발전은 핵분열을 이용해 에너지를 발생시키는 원자력 발전과 달리 수소 핵융합을 통해 청정에너지를 발생시킨다. 바닷물에서 얻은 중수소와 삼중수소를 이용한다는 점에서 자원이 풍부하고, 온실가스 발생이나 폭발 위험이 없는 청정에너지로 주목 받는다.

KSTAR는 오는 2025년까지 1억도 초고온 플라즈마의 300초 연속운전을 달성을 목표로 한다. 핵융합연은 300초 이상 운전 성공 시 24시간 운전에도 무리가 없다고 보고 있다. KSTAR연구센터는 향후 디버터 소재 교체와 ITER 관련 연구를 비롯한 핵융합 난제 해결, 다양한 주제 실험을 통해 추가적인 연구성과를 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

다음은 윤시우 KSTAR 센터장과의 일문일답.



△KSTAR가 1억도에서 300초 운전 기록을 달성해야 한다. 쉽게 달성할 부분은 아니다. 여러 운전 시나리오를 고려하고 있다. 공학적 부분에서는 한국 등 전 세계 주요국이 프랑스 카다라쉬에 건설중인 국제핵융합실험로(ITER)가 2035년 실제 핵융합에너지 발생에 성공해야 한다. 핵융합으로 나온 열에너지, 전기에너지로의 변환도 연구해야 할 부분이다. 고속 중성자들의 거동 등에 대한 공학적 문제들을 해결해야 한다.

△디버터는 토카막 내 플라즈마가 지닌 고온의 열에너지가 진공용기에 닿기 전에 열을 빼주는 역할과 함께 진공용기 내부에 남는 불순물을 제거하는 역할을 하는 부품이다. 기존 핵융합 연구장치 수준의 실험에서는 탄소 소재의 디버터로 실험이 가능했지만, 대융량 에너지 생산을 위한 핵융합로 수준의 고성능 플라즈마 운전을 위해서는 텅스텐 소재 디버터 적용이 필요하다. 탄소 소재는 초고온에서 녹지 않는 장점이 있지만 불순물이 나오고 핵융합재료와 결합할 수 있다는 단점이 있다. 반면 텅스텐은 고온에 잘 견디고 강성이 좋다. 내년에 시작해서 업그레이드 하면 KSTAR의 새로운 구성요소로 장시간 운전 기록 경신에 도움이 될 것이다.

△내년에는 30초 달성이 목표다. 텅스텐 디버터가 업그레이드 된 2023년부터는 50초, 2024년 100초, 이후 300초 달성이 목표다.



△핵융합 실증을위해선 ITER의 핵융합반응 검증이 이뤄지고, 중성자를 이용한 삼중수소 생산 연구 등이 이뤄져야 한다. 한국은 ITER 참여를 통해 핵심 기술을 가져 올 계획이다. 한국형핵융합 실증로를 2030년 초반 설계해서 40년 운전하는 것을 목표로 한다. 연구원 차원에서도 삼중수소 연구시설, 고속 중성자 생성장치 등을 확보해 연구할 계획이다. 실제 핵융합이 구현되려면 노심뿐 아니라 주변 장치도 함께 개발돼야 한다. ITER가 우선 성공하는 것이 중요하다.

△중국도 핵융합연구에서 한국처럼 후발주자다. 중국은 자국의 EAST 장치가 KSTAR와 성능이 유사하다는데 우리는 그렇게 안 본다. 전자온도(중국)가 이온온도(한국) 대비 기술적으로 오랜 시간을 유지하기에 쉽다. 다만 KSTAR가 교체를 추진하는 텅스텐 디버터로 구축됐다는 점, 중국핵융합공정실험로(CFETR) 건설을 추진한다는 점에서 상황을 예의주시하고 있다.

△디지털 트윈 기반의 핵융합에너지 시설 운용을 추진하고 있다. 기획 연구중인 단계로 향후 예비타당성 조사도 신청할 계획이다. VR 장치 등을 활용한 가상화 기술로 모의실험을 통해 위험성, 예산 등을 절감할 수 있다. 올해 핵융합 연구용 슈퍼컴퓨터도 도입했다.

△300초는 상징적인 숫자다. 각종 물리적 수치들이 이를 증명한다. 가령 10초 구간과 20초 구간을 돌파할때 기술적 어려움이 있다. 플라즈마 시간 변수, 대면적화에서 중요한 기술적 난제들을 해결해야 한다. 해석의 차이로 300초가 200초 또는 400초가 될 수 있지만 물리적 시간 한계를 극복해 계속 가열할 수 있다는 의미가 있다.

△KSTAR는 설계부터 우수했다. 해외 국가들이 상전도 자석을 사용했던 것과 달리 초전도 자석을 이용한 덕분이다. 플라즈마 제어기술을 비롯해 복잡한 시스템도 가동할 수 있다. 국제핵융합실험로(ITER)와 비교하기엔 어렵지만 다른 국가 대비 10~20년 앞섰다고 본다. 고밀도 자기장이 정밀하게 구현됐고, 플라즈마 제어기술도 우수해 우위를 가져갈 수 있다고 본다.