핵융합, 에너지 위기를 해결할 열쇠

핵융합의 개요

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하면서 막대한 에너지를 방출하는 과정입니다. 이 과정은 태양과 별들이 에너지를 생성하는 방식으로, 지구에서도 이를 인위적으로 구현하려는 노력이 계속되고 있습니다. 핵융합의 주요 장점 중 하나는 방사성 폐기물이 적고, 원료가 풍부하여 장기적으로 지속 가능한 에너지 공급이 가능하다는 점입니다.

핵융합과 핵분열의 차이점

핵융합과 핵분열은 두 가지 기본적인 핵 반응 방식으로, 에너지를 생성하는 원리와 결과가 크게 다릅니다.

 

1. 핵융합 (Fusion)

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하며 에너지를 방출하는 과정입니다. 가장 일반적인 예로는 수소의 동위체인 중수소(²H)와 삼중수소(³H)가 결합하여 헬륨(⁴He)과 중성자를 생성하는 반응이 있습니다. 이 과정에서 방출되는 에너지는 태양과 별들이 에너지를 생성하는 원리와 같습니다. 핵융합의 주요 장점은 다음과 같습니다:

• 자원 풍부성: 융합에 사용되는 연료는 바닷물에서 추출할 수 있는 중수소와 리튬에서 얻을 수 있는 삼중수소로서, 자원이 풍부합니다.
• 방사성 폐기물 문제 해결: 핵융합 과정에서 생성되는 방사성 폐기물은 핵분열보다 훨씬 적고, 그 방사능도 상대적으로 짧은 시간에 줄어듭니다.
• 안전성: 핵융합 반응은 매우 높은 온도와 압력에서만 발생하므로, 반응이 통제되지 않으면 자연스럽게 중단됩니다. 이는 사고 위험을 줄이는 데 기여합니다.

태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치 토카막 (Tokamak)

 

2. 핵분열 (Fission)

핵분열은 무거운 원자핵이 두 개 이상의 중간 질량의 원자핵으로 쪼개지면서 에너지를 방출하는 과정입니다. 가장 널리 알려진 예는 우라늄-235나 플루토늄-239의 분열 반응입니다. 핵분열의 특징은 다음과 같습니다:

• 연료의 고농축 필요: 핵분열에 사용되는 연료는 고농축 우라늄이나 플루토늄으로, 이들은 자연 상태에서 매우 적게 존재합니다.
• 방사성 폐기물 생성: 핵분열 반응에서 생성된 방사성 폐기물은 매우 오랜 시간 동안 방사능을 유지하고, 관리가 어렵습니다.
• 사고 위험: 핵분열 반응은 연쇄 반응을 일으킬 수 있으며, 통제 실패 시 폭발적 사고를 일으킬 수 있습니다.

 

핵융합 연구 프로젝트

최근 핵융합 기술의 발전은 상당한 진전을 이루었습니다. 특히, 몇 가지 주요 프로젝트와 연구가 주목받고 있습니다.

 

1. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

프랑스에 위치한 ITER는 핵융합 연구의 가장 큰 국제 공동 프로젝트로, 2025년까지 첫 플라즈마를 가동할 예정입니다. ITER의 목표는 핵융합 반응을 안정적으로 유지하고, 최소 500 메가와트(MW)의 에너지를 생성하는 것입니다. 최근 ITER는 주요 장비의 설치를 완료하고, 플라즈마를 생성하기 위한 준비 단계에 있습니다.

 

2. SPARC

미국의 스타트업 기업인 Commonwealth Fusion Systems가 개발 중인 SPARC는 소형 핵융합 장치로, 고온 초전도 자석을 사용하여 플라즈마를 더 안정적으로 유지하려는 시도를 하고 있습니다. SPARC는 ITER보다 작은 규모지만, 핵융합 반응을 위한 초기 연구와 실험에 중요한 역할을 할 것입니다.

 

3. 한국핵융합에너지연구원
핵융합에너지 개발을 선도하는 국내 유일의 핵융합 전문 연구기관으로, 세계 최고 수준의 한국형 핵융합연구장치인 ‘KSTAR’를 국내 기술로 개발하고, 국제핵융합실험로(ITER)’ 등과 국제 공동연구를 활발히 진행하고 있습니다.

2024년 3월  실시한 실험에서 KSTAR가 1억도 초고온을 48초간 유지하는 데 성공하였습니다.

또한, 정부와 ‘인공태양’으로 불리는 핵융합에너지 기술개발과 인프라 구축을 위해 총 1조 2000억 원 규모의 신규 프로젝트를 추진할 계획입니다. 

 

핵융합의 주요 기술

핵융합 기술은 눈에 띄는 발전을 이루었지만, 여전히 몇 가지 주요 기술적 도전 과제가 존재합니다.

 

1. 플라즈마 유지

핵융합 반응을 유지하기 위해서는 플라즈마를 수백만도 이상의 온도에서 안정적으로 유지해야 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 방법을 모색하고 있지만, 현재까지는 안정적인 플라즈마 유지가 큰 도전 과제로 남아 있습니다.

 

2. 에너지 효율

핵융합 반응을 통해 생성된 에너지가 입력된 에너지를 초과해야 상용화가 가능합니다. 현재 기술로는 플라즈마를 유지하는 데 필요한 에너지가 너무 많아, 전체 에너지 효율이 낮습니다. 

 

3. 자석 기술

핵융합 반응을 위해서는 강력한 자석이 필요합니다. 초전도 자석 기술의 발전이 핵심 요소 중 하나지만, 이를 상용화하기 위한 기술적 과제가 여전히 존재합니다. 

 

핵융합의 미래 전망

핵융합 기술이 상용화되면 에너지 시장에 큰 변화를 가져올 것입니다. 핵융합은 이론적으로 거의 무한에 가까운 에너지를 제공할 수 있으며, 지구의 자원을 고갈시키지 않고도 에너지를 안정적으로 공급할 수 있습니다. 또한, 핵융합의 안전성 문제를 해결할 수 있다면, 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 방사성 폐기물도 최소화할 수 있습니다.

그러나 현재 핵융합 기술은 상용화 단계에 이르기까지 많은 기술적 난제를 해결해야 합니다. 플라즈마를 안정적으로 유지하고, 충분한 에너지를 생성하기 위한 기술적 장벽이 여전히 존재합니다. 이런 문제점들이 해결되고, 기술이 상용화되어

인류가 직면한 에너지 위기를 해결할 수 있는 날이 빨리 오기를 기원해 봅니다.