[2009 녹색성장 비전] 플라스마 생성 단번에 성공… “韓國 인공태양 선도국”

2050년 상용화를 예정으로 전 세계에서 연구가 진행되고 있는 핵융합발전은 ‘인공태양’으로 불린다. 핵융합로를 인류의 가장 큰 에너지원이자 절대적인 존재인 태양으로 부르는 것은 그 원리 자체가 태양이 빛을 내는 방식과 비슷하기 때문이다. 또 성공에 대한 희망의 표시이기도 하다. 핵융합로는 수소 원자핵끼리 합쳐지면서 발생하는 막대한 에너지를 발전에 이용하는 방식으로 우라늄 또는 플루토늄 핵이 쪼개지면서 내는 에너지를 이용하는 원자력 발전과는 정반대 원리다. 핵융합 발전은 친환경적이며, 무한에 가까운 원료를 갖고 있다. 원자력 발전에 비해 안전한 저준위 방사성 폐기물만을 남길뿐더러 지구 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소가 배출되지 않는다. 앞으로도 40년 이상의 시간이 필요할 만큼 핵융합로는 초기 단계다. 그러나 성공한다면 인류는 영원한 에너지의 꿈을 이루게 된다.

■ 한국의 희망 KSTAR

지난 2월17일 영국의 대표적 공영방송인 BBC는 ‘지구에서 태양을 만들 수 있을까?’라는 주제의 프로그램을 상영했다.

전 세계적으로 진행되고 있는 핵융합연구의 현황을 소개한 이 프로그램은 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)에 주목했다. 이어 20일에는 세계 최고의 과학저널 ‘사이언스(Science)’가 ‘KSTAR가 한국을 핵융합 선도국으로 끌어올렸다’는 제목으로 한국 핵융합 연구의 눈부신 발전상을 2페이지에 걸쳐 소개했다. 사이언스의 데니스 노마일 아시아 지국장은 기사에서 “혁신적인 초전도 자석을 활용한 KSTAR가 핵융합 연구에 있어 선도적인 연구장치로 자리매김할 것”이라고 말했다. 핵융합연구에 있어 한국은 이제 세계를 주도하는 선진국으로 평가되고 있다.

녹색에너지의 궁극적인 비전이라 할 수 있는 핵융합에너지의 개발, 아직 상용화 단계까진 수십 년이 남았지만 이미 선진국들은 핵융합 상용화 실현을 위한 향후 수십 년의 개발 계획을 마련하고 기술에너지 시대의 주도국이 되고자 보이지 않는 경쟁을 하고 있다. 우리나라 역시 그 경쟁선상에서 선도국으로 나아가기 위한 노력으로 KSTAR 운영사업을 진행하고 있다.

2008년 대전 핵융합연구소에 내에 완공된 KSTAR는 총 3090억원이 투자된 한국형 거대과학의 진수다. 단군 이래 최대 사업이라는 말이 과하지 않다. 세계 최초로 Nb3Sn 초전도 선재를 이용한 초전도 토카막 건설이라는 기술적 도전이라는 측면에서도 KSTAR 프로젝트는 국내외의 우려와 기대를 한몸에 받아왔다.

특히 지난해 7월 KSTAR는 장치의 종합시운전과 장치성능 검증의 1차 잣대라고 할 수 있는 최초 플라스마를 단 한 번의 시도로 성공함으로써 국내 연구진 및 산업체의 기술 수준을 전 세계에 알리는 쾌거를 이루기도 했다.

KSTAR 장치는 현재 최초 플라스마 발생 성공 이후 본격적인 장치 운영과 성능 향상, 그리고 이를 통한 핵융합 연구분야의 국제적 경쟁력 제고를 위해 그 준비가 한창이다. 우선 최초 플라스마 발생 실험 시에 미흡한 것으로 평가됐던 초전도자석 전원의 용량을 대폭 확충했다. 2009년 운전 시에는 장치의 정격사양인 토로이달 자기장(Toroidal Field) 세기를 3.5테슬라(자속밀도의 단위) 급으로 대폭 향상시킬 계획이다. 이에 따라 2009년 운전은 플라스마 발생 메커니즘, 플라스마 전류 및 온도, 유지시간 등에서 큰 진전을 이루게 될 것이다. 또 플라스마의 밀도, 전류, 온도 등의 각종 변수가 크게 향상됨에 따라 진공용기 내부를 보호하는 플라스마 대면장치(Plasma Facing Com ponent)의 제작과 설치도 KSTAR 장치의 성능 향상 계획에 따라 본격적으로 진행되고 있다.

2010년 10월에는 ‘국제핵융합 올림픽’으로 불리는 23회 국제원자력기구(IAEA) 핵융합에너지콘퍼런스가 대전에서 열린다. 이에 따라 개최국의 역량과 자긍심을 보여줄 수 있는 특별한 프로그램을 위해 KS TAR 2010년 운전 시에는 D형 플라스마 형상화 구현과, 디버터(Divertor, 플라스마 내의 불순물 제거와 입자 제어를 위해 매우 중요한 시스템) 플라스마를 실현하는 것을 목표로 하고 있다. 그러나 KSTAR 장치가 초전도자석으로 건설된 가장 큰 목표인 장시간 운전과 정상운전(steady state operation)을 위해 앞으로 풀어야 할 숙제는 적지 않다. 특히 가열장치와 플라스마 대면장치는 정상운전을 위해 앞으로도 지속적인 성능개선과 연구가 필요한 분야다.

KSTAR 장치의 운영과 이를 위한 각 분야의 연구들은 우리나라의 핵융합 연구 수준을 격상시킬 수 있는 중요한 기회가 될 뿐만 아니라 장차 ITER, 나아가서 핵융합발전로 건설을 위해 반드시 획득해야 할 기술요소 확보를 위한 시험장이 될 것으로 기대되고 있다. 따라서 KSTAR 장치는 단순한 국가핵융합연구소 소유의 거대연구장치가 아니라 국내외 관련 연구진이 공유할 수 있는 공동연구시설로 자리매김할 수 있는 전략수립이 절실하다.

박건형기자

■ 도움말 KSTAR 운영사업단 장치기술개발부 양형렬 박사

■ 세계의 희망 佛 ITER

인류의 문명은 에너지의 활용 방법과 정도에 따라 진보해 왔다 해도 과언이 아니다. 100만년 이상 진행된 ‘불 시대’에서 시작해 나무, 석유, 천연가스, 핵분열에너지까지 인류는 새로운 에너지원을 개발함으로써 시대의 변천을 주도했다. 특히 20세기 이후 등장한 다양한 에너지원은 폭발적인 문명의 발전을 이끌어냈다. 그러나 석유의 전성기는 지구온난화와 기후변화 등으로 부메랑이 돼 인류의 삶을 위협하고 있다. 이를 해결하기 위한 녹색에너지원이 절실한 이유다.

프랑스 남부의 조용한 시골마을 카다라시. 이곳에 지금 그 시대적 요구조건을 충족할 수 있는 방법을 찾기 위해 우리나라를 포함한 세계의 과학 선진 7개국의 과학자와 기술자 300여명이 모여 있다. 이들에게 카다라시는 더 이상 평범한 시골마을이 아닌 ‘인류의 마지막 불’이라 불리는 핵융합에너지가 성공할 수 있는지를 검증하는 희망의 땅이다. 국제핵융합실험로(ITER,International Thermo nuclear Experimental Reactor) 건설은 지금 이 시간에도 계속되고 있다.

라틴어로 ‘길’을 뜻하는 ITER(Interna tional Thermonuclear Experimental Reactor)는 인류가 꿈꾸는 녹색에너지의 조건을 두루 갖춘 핵융합에너지의 실현 가능성을 최종 증명할 핵융합발전 실험로다. 어느 한 나라가 감당하기에는 너무나 큰 사업인 만큼 유럽연합(EU), 일본, 러시아, 미국, 중국, 인도 등 6개국과 우리나라가 참여하고 있다.

ITER 프로젝트는 구소련의 서기장이었던 미하일 고르바초프가 1985년 미국의 로널드 레이건 대통령에게 핵융합에너지 개발을 위한 장치 건설을 제안하면서 시작됐다.

ITER 프로젝트는 7개국 중 ITER가 건설되는 프랑스가 속한 EU가 ITER 건설비의 약 45%를 분담하고, 우리나라를 비롯한 6개국이 각 9.09%씩을 분담한다. 참여국들은 건설비를 대부분 현물로 조달한다.

우리나라는 ITER 가입 당시 진행되고 있던 KSTAR 건설 사업을 통해 얻은 핵융합 연구 역량을 인정받아 당당히 ITER 참여국이 될 수 있었다. 우리나라의 분담률 중 현물조달분은 78%로 ITER 건설을 위해 진공용기, 초전도자석, 삼중수소 운송·저장, 전력공급계통, 블랭킷 등 총 10개의 핵심 품목을 국내기술로 제작, 공급할 예정이다. 이는 우리나라가 KSTAR 건설을 통해 얻은 핵융합 기술과 뛰어난 중공업 기술 등이 바탕이 되었기 때문에 가능한 것으로, 이는 국내 관련 사업의 활성화에도 기여할 수 있을 것으로 본다.

현재 카다라시는 ITER장치 건설을 시작하기 위한 부지조성 작업이 마무리 단계에 이르렀다. 고즈넉한 프랑스 남부의 시골 풍경 대신 드넓은 건설부지로 변모한 이곳은 10년 후 인류의 새로운 에너지 혁명을 주도할 거대한 장치가 자리하게 될 것이다.

■ 도움말 카다라시(프랑스) ITER 건설단 최창호 박사

박건형기자