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인공태양
인공태양(人工太陽, artificial sun)은 중수소와 삼중수소를 연료로 사용해 섭씨 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 생성하고 이를 자기장을 활용해 가두는 장치다. 이러한 핵융합 기술을 이용하면 바닷물 1ℓ로 휘발유 300ℓ에 달하는 에너지를 얻을 수 있다.
인공태양은 대형 반사경을 이용해 태양빛을 반사하여 지구의 일부 지역을 밝히는 연구에서, 수소의 핵융합 현상을 지구상에서 실현하기 위한 방향으로 바뀌었다. 토카막형과 헬리컬형, 그리고 레이저 핵융합 방식을 통하여 세계적으로 한창 연구 중이다.
처음으로 인공태양이 설치된 것은 1993년의 일이다. 당시 러시아에서는 태양빛을 반사하는 우산 모양의 대형 반사경을 우주 공간에 설치해 지구의 일부 지역에서 밤을 밝혀 주는 실험을 하였다. 즉 '노비스베트(새로운 빛)'라는 인공태양 계획을 세우고 우주정거장 미르에서 분리된 무인 화물운반우주선인 '프로그레스 15'에 붙어 있는 폭 20m의 태양거울을 이용해 폭 4㎞ 정도의 지역에 빛을 반사해 달빛 정도의 조명 효과를 얻는 데 성공하였다.
그러나 이후 세계 각국의 인공태양 연구는 이러한 반사경을 이용한 인공태양보다는 핵융합을 통해 태양에서 일어나는 수소의 핵융합 현상을 지구상에서 실현하기 위한 방향으로 바뀌었다. 이는 핵융합이 값싼 무한정의 연료를 어디서나 쉽게 얻을 수 있고, 화력발전에서 생기는 탄산가스가 전혀 발생하지 않으며, 핵분열 발전에서 나오는 방사능과 핵폐기물이 나오지 않아 환경오염을 일으키지 않는다는 장점 때문이다.
목차
개요[편집]
인공태양은 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 발생시키는 장치이다. 우리나라의 경우 국가핵융합연구소가 운영하는'KSTAR'가 인공태양 연구장치이다.
국가핵융합연구소 2021년 '인공(人工) 태양' KSTAR가 이온온도 1억도 초고온 플라스마를 30초간 유지하는 데 성공하며 초고온 플라스마 장시간 운전 기록을 경신했다..
중국은 2017년 7월 5000만도의 초고온 플라스마 상태를 101.2초간 유지했었고, 2018년 11월에는 1억도의 온도를 내는 데 성공했다. 2021년 6월에는 1억 2000만도 초고온에서 101초간 유지하는 데 성공하면서 세계 기록을 달성했다. 중국과학원 사하 허페이 물질과학연구원은 핵융합 실험로 '이스트'(EAST·Experimental Advanced Superconducting Tokamak)를 이용해 2021년 말 1억 2600만도의 초고온 플라스마 상태를 1056초(약 17분 6초) 동안 유지하는데 성공했다. 이는 2021년 6월 기록인 1억 2000만도에 비해 600만도 더 높고, 가동 시간도 무려 10배 늘어난 셈이다.[1] [2]
인공태양의 종류[편집]
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자기장으로 플라즈마를 가두는 도넛, 토카막[편집]
태양의 환경을 구현할 수 있는 핵융합장치 중 가장 일반적으로 많이 알려져 있는 것은 바로 자기장을 이용한 인공태양 '토카막(Tokamak)'이다. 우리나라에서 개발한 초전도핵융합장치인 KSTAR와 국제 공동으로 개발되고 있는 국제핵융합실험로 ITER 이 대표적인 토카막 장치이다.
토카막이란 러시아어인 'Toroidalnaya Kamera Magnitnaya Katushka'의 첫 글자를 따와 만든 핵융합실험장치의 명칭으로, '자기장 코일로 만든 도넛형 가둠 장치'라는 뜻을 갖고 있다. 일반적으로 전자석에 전류를 흘리면, 전자석 주위로 자기장이 형성되는데 토카막은 도넛 모양의 진공용기 주변을 전자석으로 둘러싸고 그물 형태의 자기장을 만들어 태양과 같은 상태인 초고온의 플라즈마들이 빠져나가지 못하게 만드는 원리를 이용한다. 자기장 그물은 도넛 모양의 진공 용기의 둘레를 따라 설치되는 D자 모양의 토로이달 자석과 도넛과 같은 원형 모양의 폴로이달 자석이 만들어내는 자기장으로 만들 수 있다.
하지만, 토카막의 자기장 그물로 플라즈마를 가두는데도 몇 가지 문제점이 존재한다. 도넛 형태로 된 토카막 안에서 플라즈마가 흐르면, 안쪽이 바깥쪽보다 압축되어 있어 자기장의 영향을 더 강하게 받는다. 이렇게 되면 플라즈마 입자는 상대적으로 자기장의 영향을 덜 받는 도넛의 바깥쪽 부분으로 탈출할 가능성이 높아진다. 또, 플라즈마에 전류를 흘려보내는 도중 전류가 불안정해지거나 중단되면 핵융합 반응 또한 멈출 수 있다는 단점이 있다. 물론, 이 문제점은 고성능플라즈마모드인 'H-모드'로 해결할 수 있다. H-모드에서의 플라즈마 성능은 약 2배 이상 증가하며, 플라즈마가 자기장에 잘 가둬져 열이 빠져나가지 않아 더 안정적인 핵융합 실험이 가능해진다. 이 밖에도 여러 토카막 장치에서는 초고온을 플라즈마를 안정적으로 잘 가두고 핵융합 반응이 오래 유지될 수 있는 토카막 운전 방식을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
꽈배기처럼 빙글빙글 꼬았다, 스텔러레이터[편집]
물론, 핵융합 연구 장치로 오로지 토카막만이 존재하는 것은 아니다. 토카막의 사촌으로 여겨지는 스텔러레이터 역시 자기장을 이용한 핵융합장치이다. 1951년, 미국 프린스턴 대학의 라이만 스피처 박사는 기존과는 색다른 방식의 핵융합 연구 장치를 고안해냈다. 그는 플라즈마 도넛 주위를 기묘하게 휜 전자석으로 둘러싸는 형태를 떠올렸는데 자기장의 모양 자체를 꼬아 놓아 별다른 제어 없이도 플라즈마 입자가 도넛의 안쪽과 바깥쪽을 오갈 수 있는, '플라즈마 핀치' 원리를 활용하는 것이다. 이렇게 되면 플라즈마는 자기장의 강약에 따라 스스로 압축될 수 있어, 자기장을 일일이 제어하는 복잡한 작업 없이도 플라즈마를 가둘 수 있게 된다. 하지만 이 이론대로 정교하게 휘어진 코일을 제작하는 것은 말처럼 쉬운 일이 아니었다. 초전도 자석이 mm 이하의 아주 정교한 단위로 조금씩 틀어져야 하는, 정밀한 작업을 거쳐야 하기 때문이다. 세계 각국에서는 핵융합 실험 장치로 제시된 스텔러레이터를 구현하기 위해 수많은 시간과 노력을 들여 투자했지만, 실제 성과는 기대에 미치지 못했다.
그러나 스텔러레이터의 실현을 위해 연구를 거듭하던 독일에서 2016년 크나큰 성과가 나타났다. '벤텔슈타인 7X Wendelstein (W7-X)'라는, 역대 가장 강력하고 거대한 스텔러레이터를 탄생시킨 것이다. 제작에만 10년 이상의 시간과 10억 유로 이상의 예산이 소요된 W7-X의 초전도체 자석 코일은 높이가 3.5m, 무게가 6t에 달한다. 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 통해 정교한 수치를 계산하고, 그 추산대로 제작과 조립을 거쳐 세계 최대 규모의 스텔러레이터W7-X가 탄생할 수 있었다. 이제 초기 운전을 진행하고 있는 W7-X가 앞으로 핵융합에너지 상용화라는 과제를 풀 수 있는 어떤 성과들을 보여줄지 과학자들은 기대하고 있다.
고온고압의 레이저 핵융합, 사실은 무기용?[편집]
기존 핵융합연구장치의 주역으로 떠오르는 토카막과 스텔러레이터 외에도, 색다른 방식인'레이저 핵융합' 또한 존재한다. 레이저 핵융합은 기존의 전자기장으로 플라즈마를 가두는 방식 대신, 레이저나 입자빔을 통한 관성력을 이용하는 것이다. 이 이론을 실현하기 위해 미국 국립점화연구소(NIF)는 2009년 레이저를 이용한 핵융합 실험시설인 노바를 완공, 2011년부터 본격적인 연구를 시작했다. 노바는 높이 25m, 너비 914m의 실험 공간으로, 그 내부에 강력한 레이저를 발사할 수 있는 장치 192개가 마련되어 있다.
이 수많은 레이저가 겨누고 있는 곳은 단 한 지점, 바로 실험실 한가운데 놓여있는 금속 원통 '펠릿'이다. 모든 레이저가 쏘이면 펠릿에 모이는 에너지는 약 500TW로, 온도는 자그마치 4,000만K까지 치솟는다. 중수소와 삼중수소에 이뤄진 작은 재료 뭉치에 강력한 레이저를 쏘면 폭발이 유도되고, 폭발이 발생하면 중수소-삼중수소 가스는 고체의 20~100배 이상으로 초고밀도 압축을 일으키며 고온을 이루게 된다. 이렇게 탄생한 고온과 밀도는 별의 중심부와 비슷한 환경을 조성, 핵융합을 발생할 수 있는 확률을 높여준다.
하지만 레이저 핵융합은 펠릿의 파편이나 벽과의 상호작용으로 불순물이 발생, 핵융합이 원활하게 이루어지지 못한다는 한계가 존재한다. 물론 이를 피해가며 정확하게 펠릿을 쏠 수 있는 추적 기술과 레이저 급속 충전 기술 등 다양한 연구를 거듭하며 미흡한 실정을 채워나가고 있지만, 사실상 기대에 못 미치는 성과 탓에 잠시 주춤하고 있다. 가장 중요한 것은, 레이저 핵융합으로 발생한 에너지는 일상에서 사용하기는 어렵다는 것이다. 수소 폭탄 실험에서 핵융합 기폭제로 원자 폭탄을 이용한 것처럼, 레이저를 기폭제로 대체해 무기로 만드는 것이다. 이처럼 레이저 핵융합은 핵융합 발전을 위한 연구에는 한계가 있지만, 여러 분야에서 관심받고 있는 핵융합 장치 중 하나이다.[3]
핵융합발전 원리[편집]
핵융합은 핵에너지를 사용하지만 원자력 발전에 활용하는 핵분열과는 정반대 원리로 작동한다. 핵분열은 우라늄이나 플루토늄의 핵이 분열하면서 나오는 에너지를 이용한다. 반면 핵융합은 수소가 헬륨으로 합쳐지면서 생기는 에너지를 쓴다. 태양이 빛과 열을 내는 것이 바로 내부에서 끊임없이 일어나는 수소의 핵융합 반응 덕분이다. 이 때문에 핵융합 발전을 인공 태양이라고 부른다. 핵융합 발전로를 만드는 원리는 이렇다. 수소는 원래 중성자 없이 양성자와 전자로만 구성돼 있다. 하지만 바닷물에는 일정 비율로 중성자를 갖고 있는 중수소가 포함돼 있다. 이 중수소와 인위적으로 만든 삼중수소(중성자 2개짜리 수소)를 1억도 이상 고온에서 충돌시키면 수소끼리 결합하면서 헬륨이 되고, 필요 없어진 중성자가 튀어나온다. 이 중성자들이 핵융합로 안쪽 벽(블랭킷)에 부딪히면서 생기는 에너지로 물을 데워 발전기를 돌리면 전기가 생긴다. 이론적으로 핵융합 에너지의 효율은 현재 가장 효율이 높은 발전 방식인 원자력의 7배가량이다. 수소 1㎏으로 핵융합 반응을 일으키면 석탄 8t을 사용한 화력발전만큼의 전력을 생산할 수 있다. 무엇보다 중수소는 지구상에 무한에 가깝게 존재하고, 발전 과정에서 고준위 방사성 폐기물도 나오지 않는다. 핵융합을 '꿈의 청정 에너지'라고 부르는 이유이다.[4]
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 송현서 기자, 〈(핵잼 사이언스) 中 인공태양, 1억 2600만도에서 17분 유지…세계기록 경신〉, 《나우뉴스》, 2022-01-05
- ↑ 유지한 기자, 〈1억도에서 30초 유지… 한국이 만든 ‘인공 태양’ 세계 기록 깼다〉, 《조선일보》, 2021-11-22
- ↑ KFE, 〈지구에서 만들어진 인공태양의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2019-09-17
- ↑ 박건형 기자, 〈탄소중립 구현할 ‘인공 태양’, 치열해지는 핵융합 선점 경쟁〉, 《조선일보》, 2021-11-05
참고자료[편집]
- 〈인공태양〉, 《두산백과》
- 박건형 기자, 〈탄소중립 구현할 ‘인공 태양’, 치열해지는 핵융합 선점 경쟁〉, 《조선일보》, 2021-11-05
- 유지한 기자, 〈1억도에서 30초 유지… 한국이 만든 ‘인공 태양’ 세계 기록 깼다〉, 《조선일보》, 2021-11-22
- 송현서 기자, 〈(핵잼 사이언스) 中 인공태양, 1억 2600만도에서 17분 유지…세계기록 경신〉, 《나우뉴스》, 2022-01-05
- 김봉수 기자, 〈차세대 '핵융합' 연구 돌파구, 한국이 또 뚫었다〉, 《아시아경제》, 2022-09-08
같이 보기[편집]
