인공태양을 아시나요?

오늘(21일)은 연중 밤이 가장 길다는 동지(冬至)입니다.  동지와 같은 24절기는 태양의 활도상 위치에 따라 계절적 구분을 하기 위해 만든 것이죠.  그래서 오늘은 태양과 관련된 이야기를 포스팅하겠습니다.

여러분, 혹시 인공태양에 대해 들어보셨나요?  맞습니다!  말 그대로 사람이 만든 태양이죠.  우리가 일반적으로 알고 있는 태양은 항상 하늘에서 세상을 밝혀주고 에너지를 주는 존재이죠. 이런 태양을 사람이 만든다는 겁니다.

태양이 에너지를 내는 원리를 이용, 핵융합반응을 이용해서 태양과 같은 엄청난 에너지를 만드는 것입니다.  지금도 풍력, 수력, 지열 등 신재생에너지 시장이 떠오르고 있지만  인공태양 프로젝트가 성공하게 된다면 다른 어떤 신재생에너지 보다도 엄청나게 압도적인 비중으로 활용이 가능하겠죠. ​

이렇게 엄청난 인공태양 만들기 프로젝트에 우리 나라가 참여하고 있습니다.  국제 핵융합 실험로(ITER)이라고 불리는 글로벌 인공태양 프로젝트는 한국을 포함해서 미국, 유럽연합, 중국, 러시아, 인도, 일본까지 7개국이 참여하고 있습니다. ​우리나라에서 만든 부품들을 프랑스에서 조립해서 2025년까지 완공하는 것을 목표로 하고 있습니다. 우리나라에서는 한국핵융합에너지연구원에서 인공태양 KSTAR로 추진하고 있습니다.

그런데 지난 11월 우리나라의 인공태양 KSTAR가 1억도 초고온 플리즈마를 연속으로 20초간 운전 유지하는 데 성공함으로써 세계 최초로 신기록을 세웠다는 보도가 있어 세간에 화제가 되었었죠.  지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위해선 태양 중심부와 유사한 환경을 만들어야 하는데, 이를 위해 개발된 것이 인공태양입니다.  그러나 핵융합 반응을 인공적으로 일으키는 것이 절대 쉬운 일이 아니겠죠.  매우 어려운 일입니다.

인공적으로 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 중수소와 삼중수소가 원료로 사용되는데, 이 원료들을 가열하기 위해서는 무려 1억도의 온도가 필요하다고 합니다.  이같이 핵융합 상용화의 핵심은 우리가 사용할 수 있는 에너지를 발생시키는 플라스마를 핵융합 장치 내에서 엄청난 온도로 장시간 운전하는 것입니다.  여기에서 플라스마란 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말합니다.  태양 중심부에서 물질은 고체, 기체, 액체가 아닌 이러한 플라스마 상태로 존재합니다. 

진공 공간에 중수소, 삼중수소 등 핵융합 원료를 넣고 가열해 1억도 이상의 열을 만들어 태양 중심부와 유사한 플라스마 상태를 구현한 것이죠.  플라스마 상태에서 수소 원자 두 개의 원자핵이 결합하는 핵융합 반응이 일어나면 막대한 에너지가 발생합니다.  이 에너지는 단 1초 동안 방출된 양으로 인류가 100만 년을 쓰고도 남을 정도로 강력하다고 합니다. 엄청나죠! 

이러한 핵융합을 위해선 초고온 플라스마 상태를 꾸준히 유지하는 게 중요합니다. 그러나 인공태양 내부와 외부의 압력, 온도 차로 융합로 내부의 플라스마가 불안정해지기 때문에 장시간 보존은 상당히 어렵다고 합니다.

그런데 이미 우리 나라에서 플라스마의 불안정성을 극복하며 지난해 세계 최초로 8초 유지에 성공한 바 있는데, 얼마 안 되어 올해 실험에서 지속 시간을 20초로 연장한 것입니다.  이번 성과는 10초의 벽을 넘은 것과 더불어, 1년만에 플라스마 제어 기술을 획기적으로 개선했다는 점에서 큰 의미가 있다고 합니다.

물론 핵융합 에너지를 상용화하려면 인공태양의 24시간 연속 운전이 가능해야겠죠.  한국 핵융합에너지연구원은 1억 도 온도를 300초 이상 유지하면 24시간 이상 가동도 가능할 것으로 보고 있습니다.  이에 우리나라는 핵융합 상용화를 위해 세계가 공동으로 건설 중인 국제 핵융합 실험로(ITER)가 완공되는 2025년까지 300초 유지를 달성하겠다는 계획입니다.

스티브 호킹박사도 핵융합 발전이 인류를 종말에서 구할 수 있는 첫 번째 단추라 말했다고 합니다.  그 정도로 핵융합에너지는 미래 에너지 문제를 해결할 대안으로 제시되고 있습니다.  ‘꿈의 에너지’라는 별칭을 가지고 있죠.  무한한 에너지이자 무공해 에너지인 핵융합 에너지.  이 핵융합에너지를 이용한 인공태양이 대한민국의 기술력으로 신에너지를 개척하는 꿈같은 그 날이 오기를 기대해봅니다.