[전기계 탐방] 국가핵융합연구소(NFRI)

인간의 힘으로 지상에 만든 태양
무한 청정 에너지원 핵융합 발전
국가핵융합연구소(NFRI)


인간의 힘으로 지구상에 또 하나의 태양을 만든다?
누가 봐도 터무니없고 실현 불가능한 말이다. 하지만 이를 가능케 하기 위해 애쓰는 이들이 있다. 바로‘국가핵융합연구소(NFRI)’다. 국가핵융합연구소는 인류의 생존권인 에너지를 둘러싸고 전 세계가 벌이고 있는 에너지 전쟁을 종식시키는 청정 에너지원 개발을 위해 인공태양을 만들어 이를 에너지원으로 상용화하도록 연구 개발하고 있다.
이번 호에서는 원자력발전과 함께 핵을 이용한 또 다른 에너지 발전 방식인‘핵융합반응’을 통해, 미래 에너지원으로 거듭날‘핵융합발전’을 조명하면서 동시에 국내 유일의 핵융합 연구소인‘국가핵융합연구소’를 소개한다.



21세기 무한 청정 에너지원
- 핵융합발전

태양은 인류에게 최고의 자연 청정에너지원이다. 태양이라는 무한 자원이 있기에 인류는 열과 에너지를 얻고, 이를 토대로 지금껏 발전해 올 수 있었다. 그 자체가 순수한 에너지원인 태양처럼 스스로 빛을 내는 별들은‘핵융합’이라는 반응을 통해 에너지를 발생한다.
지구상에서 화석연료를 사용하든 천연가스를 사용하든 환경오염은 당연한 결과다. 하지만 그것마저도 유한하다는 한계성으로 인해 인류는 어떻게든 더 나은 에너지원을 찾을 수밖에 없는 실정이다. 그렇다면 인류가 역사 이래 풍요롭게 향유해 왔던 태양에너지를 지구로 끌어내려 에너지원으로 활용하면 어떨까. 무한한 데다 환경오염을 유발하지 않는 청정 에너지원이니 얼마나 풍족하고 깨끗하게 사용할 수 있겠는가.
‘국가핵융합연구소(NFRI)’는 이를 위한 방법으로‘핵융합에너지’개발에 목표를 두고, 그것을 실현함으로써 지구상에 또 다른 태양을 만들어 인류가 무한한 청정 에너지를 자유롭게 쓰도록 연구하는 국내 유일한 핵융합 연구소다. 이 곳에서 연구 개발 중인‘핵융합발전’은‘지구상에 태양을 만든다’는 표현을 쓸 정도로 대단한 에너지원으로 기대된다. 왜냐하면 이는 태양과 같이 초고온의 플라즈마 상태에서 가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵으로 바뀔 때 감소되는 질량이 막대한 양의 에너지원으로 방출되는‘핵융합반응’을 이용하기 때문이며, 또 이 핵융합반응은 태양처럼 무한하고 청정한 에너지원을 인류에게 제공할 수 있기 때문이다.
핵융합발전은 이산화탄소를 발생시키지 않아 지구온난화를 야기하는 온실가스를 배출하지 않으며 원자력발전의 0.04%에 불과한 소량의 방사능에 의한 중·저준위 폐기물이 일부 발생해도 10년에서 길어도 100년 이내에는 재활용이 가능해질 것으로 전망돼 안정적 이다. 따라서 원자력발전처럼 장기적 폐기물 처리 시설이 필요치 않으며, 연료 공급이 중단되면 1~2초 내에 운전도 자동 정지되어 발전소 폭발, 방사능 누출과 같은 위험 상황이 발생하지 않는다. 또한 바닷물에 풍부한 중수소와 지표면에서 쉽게 추출 가능한 리튬(삼중수소)을 원료로 하기 때문에 삼면이 바다인 우리나라에 더욱 유리한 에너지원이라 할 수 있다. 단지 1g의 중수소와 삼중수소의 혼합 연료만으로도 시간당 10만㎾ 전기를 생산할 수 있고, 200g 중수소와 300g 삼중수소일 때 100만㎾급 발전소 2기를 하루 종일 가동할 정도로 고효율이니, 일단 개발 완료하여 상용화한다면 인류는 그야말로 캐내도 줄어들지 않는‘검은 돌밭’을 갖게 되는 셈이다.

초고온의 플라즈마 상태에서 가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵으로 바뀌는 것을‘ 핵융합반응’이라고 하며, 이 과정에서 감소된 질량이 막대한 에너지 로 변환되는데 이를‘ 핵융합에너지’라고 한다. 태양을 비롯해 스스로 빛을 내는 별들은 모두 이러한 핵융합반응으로 에너지를 발생한다.

핵융합발전 상용화에 한걸음 다가가
- KSTAR 성공

하지만 이처럼 안전하고 청정한 핵융합발전이 상용화되려면 아직 선행해야 할 과제와 개발해야 할 연구가 많다. 따라서 현재 전 세계 나라들은 핵융합발전 상용화를 위해 2006년부터 2040년까지 진행되는 핵융합발전 실험로 건설 사업인‘ITER(국제핵융합실험로)’프로젝트에 참가하는 등 핵융합 원천 기술 확보에 경쟁적으로 힘을 쏟고 있다.
이에 대응해 우리나라에서도 국가핵융합연구소가‘차세대 초전도 핵융합 연구 장치(KSTAR : Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)’사업을 이끌며 선진국 수준의 핵융합 연구 능력 확보와 독자적인 핵융합 에너지 기술 축적을 위해 힘쓰고 있다. 다른 기술 선진국에 비해 시작은 늦었지만, 10여 년의 연구 개발 끝에 2007년 9월 세계 최고 수준의 핵융합 연구 장치‘KSTAR’를 개발하면서‘ITER’공동 개발에 합류하고 핵융합 장치 건설 핵심 기술을 독자적으 로 확보하며 핵융합 기술 선진국으로 발돋움할 발판을 마련한 것이다. 설계, 개발, 제작까지 전 과정을 순수 국내 자체 기술로 개발한 토카막형 핵융합 연구 장치‘KSTAR’은 세계에서 유일하게 ITER 설계와 동일한 초전도 재료인 Nb₃Sn(니오븀 주석 합금)을 활용한 토카막 핵융합 연구 장치로, 향후 ITER의 성능 및 실험결과 등을 예측할 수 있는 사전 실험 장치로서의 역할을 수행할 것으로 기대를 모으고 있다.
더욱이 2008년 최초 플라즈마 발생에 성공하여 KSTAR의 각 세부 장치가 안정적으로 작동됨을 인정받았을 뿐 아니라 플라즈마 전류 133㎄, 플라즈마 지속시간 249㎳ 발생 등 당초 목표치를 뛰어넘는 성과를 달성함으로써 최초 플라즈마 목표인 1.5테슬라 자기장, 100㎄ 플라즈마 전류, 100㎳(0.1초) 플라즈마 지속 시간을 상회하는 결과를 안정적으로 재현했음을 확인시켰다. 이와 더불어 최초 플라즈마 발생을 통한 초전도 자석을 사용한 시나리오 개발, ECH를 사용한 2차 고조파 전이온화 기술 등 국내외 핵융합 연구에 있어 선도적인 연구 결과 창출에도 크게 기여했다.
이렇듯‘KSTAR’은 장치의 결함 없이 단번에 최초 플라즈마를 발생시킨 세계 최초의 초전도 토카막 장치로, 우리나라의 기술력을 세계에 과시함과 동시에 세계 최고 품질의 초전도 토카막 보유국으로 자리매김할 수 있는 원동력이 됐다.


우리나라 핵융합발전을 이끄는 선구자
- 국가핵융합연구소(NFRI)

그러면 KSTAR 개발 성공에 큰 역할을 담당한 국가핵융합연구소는 어떤 곳인가.
1996년 기초과학지원연구원의 핵융합연구개발사업단으로 시작하여 2005년 10월 한국기초과학지원연구원 부설 연구소로 출범, 이제는 우리나라를 대표하는 국가 핵융합에너지 개발 사업의 중심 기관으로 성장한 국가핵융합연구소는 EU, 미국, 일본, 중국 등 주요 선진국들과 함께 공동으로 진행하고 있는‘ITER’공동 개발 사업(2017년 완공 예정)의 국내 전담 기구로 활약하고 있다.
2007년 9월 우리나라 핵융합 기술의 자존심이자 세계 최고 수준의 핵융합 장치인 KSTAR 건설에 성공한 후 2008년 7월 본격적인 운영을 위한 시운전과 최초 플라즈마 발생에 성공하면서 전 세계 핵융합 연구자들의 주목을 받게 된 국가핵융합연구소. 이 연구소는 핵융합 에너지 개발을 위한 인프라 구축과 함께 전문 인력 양성을 위한 산·학·연 간의 유기적인 유지 공조 체제수립을 주도하며 핵융합 기술 인력 공동체를 이끄는 중심 기관이자, 핵융합에너지 개발을 통한 파생 기술 확산과 신산업 창출 지원·플라즈마 응용 연구 및 상용화를 추진하는 등 국내‘핵융합’이 들어가는 어디서건 빠지지 않는 이 연구소는 국가 에너지 자립을 목표로 핵융합발전을 이끄는 선구자다.

설계, 개발, 제작까지 전 과정이 순수 국내 자체 기술로 개발된 토카막형 핵융합 연구 장치‘ KSTAR’

우리나라를 대표하는 국가 핵융합에너지 개발 사업의 중심 기관인 국가핵융합연구소와 이경수 소장

차세대 에너지원 개발에 대한 요구가 심화되는 요즘 핵융합발전에 대한 기대치가 더욱 높아지고 있는 가운데, 국가핵융합연구소 이경수 소장은 2009년 경영 기틀로“변화 경쟁을 통해 질적으로 세계 핵융합 에너지 개발 중심 기관으로 자리매김하는 도약의 해가 되겠다”는 포부를 밝히며 주요 연구 사업 계획을 알렸다.
그 중에서 특히 올해에는‘KSTAR 운영 사업’에 본격 진입하여 녹색 에너지 개발을 위한 최첨단 연구 시설로 거듭날 뿐 아니라 ITER의‘Pilot Plant’로 KSTAR의 확고한 가치를 보장하는 성과를 내기 위해 노력할 것이라고 전했다. 이를 위해 KSTAR을 핵융합분야의 세계적 석학들과 미국, 일본, 유럽연합 등 해외 연구 기관이 참여하는 국제 공동 연구 시설이자 세계 핵융합 허브 장치로 운영하여 핵융합 발전 원천 기술개발과 함께 우수한 젊은 과학자들을 양성할 계획이다.
그와 동시에 ITER 국제토카막물리활동그룹(ITPA)과 국제 공동 연구를 수행하고 미국 프린스턴 대학 및 General Atomics사 등과 공동 연구 범위를 확대하는 것을 비롯하여, 중국 EAST 장치와 프랑스 Tore-Supra 장치 운영에 공동 실험 참여를 준비하는 등 국제 협력체계를 강화해 KSTAR을 중심으로 한 국제 공동 연구기반을 구축할 계획도 세웠다.
특히 2010년 10월 대전에서 개최 예정인 세계 최대 규모의 핵융합 관련 학회이자‘핵융합 올림픽’이라고 불리는‘핵융합에너지컨퍼런스(Fusion Energy Conference)’개최 전까지 국내외 핵융합 연구계의 기대에 부응하는 뛰어난 연구 결과를 창출하여 세계 핵융합 연구의 선도 기관으로 자리 잡는 것을 목표로 한다고 전했다.
고유가 시대에 차세대 무한·청정에너지로 기대되는 핵융합에너지 개발에 있어 선도 역할을 담당하는 국가핵융합연구소. 비록 출발점이 늦어 연구 시간은 짧았으나 그 두 배의 노력으로 어느 나라도 해내지 못한 초전도자석 토카막 장치를 개발해 낸 집념과 노력은 우리나라를 미래 에너지 선진국으로 거듭나게 할 것으로 기대된다. 인간의 힘으로 만든 태양이 인류를 구원할 청정에너지원으로 상용화될 날을 꿈꾸며, 이를 위해 매일 매일을 연구 개발에 매진하는 국가핵융합연구소 연구원들의 노력에 박수 보낸다.



글_김미선 기자<국가핵융합연구소 (042)870-1800 / www.nfri.re.kr>