[해외기술특집] 핵융합로의 경제성 향상책

개요

핵융합로 실용화가 기대되는 21세기 후반의 에너지 사정 및 세계 정세를 현시점에서 바르게 예측하기란 불가능하다. 그러나 상용 에너지원으로서의 핵융합로가 최저한도 구비해야 할 조건이라면 어느정도 예측은 할 수 있다. 특히 경제성에 있어 다른 전원과의 상대 비교 시 허용되는 코스트에 대해 언급하는 것은 핵융합 연구 개발자에 있어 책무일 것이다.
핵융합로의 경제성을 논하기에 앞서 경쟁 상대를 특정할 필요가 있다. 경쟁 에너지원은 최소한 아래의 4조건을 만족할 필요가 있을 것이다.

① 수백 년에 걸쳐 에너지를 공급할 수 있다.
② 환경에 영향을 주지 않는다.
③ 전원으로경쟁가능한코스트로운용할수있다.
④ 기간 전원으로 전력을 충분히 안정시켜 공급할 수 있다.

핵융합 회의 전략 검토 분과회 보고에 기초하여 자연에너지를 포함한 발전원가와 건설 단가의 비교를 <그림 1>에 나타냈다. 횡축이 규격화 발전원가(COEn), 종축이 건설 단가(만 엔/㎾e)다.
규격화 발전원가(COEn)는 CO₂를 회수하지 않는 석탄 화력의 현재 COE 값(약 10엔/㎾h)으로 규격화된 것이다. 그 이유는 화폐가치의 변화 영향을 배제하기 때문이다. 화석연료 및 우라늄 코스트가 앞으로 현격하게 상승할 것으로 전망됐지만, 그 가능성은 고려하지 않는다. 왜냐하면 에너지원 코스트가 상승하면 반드시 재료비도 상승하기 때문이다.



현행 원자력, 화력, 수력은 모두 <그림 1>의 현행 전원으로 표시한 범위에 들어간다. 태양광과 풍력을 현재 상황과 미래 기술 진전에 의한 코스트 저감 예측 둘 다 표시해 두었다.(단, 여기에서는 태양광, 풍력 등 출력이 불안정한 전원을 보상하기 위한 에너지 저장 설비 코스트는 고려하지 않았다)
여기에 표시된 태양광 플랜트는 대규모 사업용일 경우 가정용 태양광발전 장치는 건물 지붕이 설치에 이용될 수 있다는 등의 이유 때문에 코스트는 사업용의 절반 정도가 된다. 가동률이 높은 지역을 제외하고 태양광 등의 자연에너지는 설비가 대형인 데다 가동률이 낮기 때문에 앞으로도 앞에 제시한 조건 ③, ④를 만족시키기란 어려울 것으로 생각된다.
현재 알려진 가채량으로 평가한다면 석유는 ①을 만족시키지 않을 것이다. 광산에서 채굴 가능한 천연 우라늄 자원도 플루토늄 이용을 생각할 수 없는 한 ①을 만족시킬 수 없다.
따라서 고속 증식로(FBR)나 해수에서의 우라늄 회수 기술의 실용화가 필요해질 것이다.
핵융합 회의 전략 검토 분과회 보고서에서는 <그림 1>과 같이, 핵융합로의 발전 코스트 목표는 COEn으로 1.5를 충분히 하회(下回)하지 않으면 수십 년 이내에 실용화하는 것은 어려울 것으로 보고 있다. 더욱이 장기적으로는 COEn = 0.7 전후의 발전단가를 목표로 할 필요가 있다.


핵융합로의 코스트 분석

여기에서 코스트는 핵분열로(경수로)를 기준으로 한다. 1GWe(백만 ㎾) 핵분열로 발전소의 건설비는 현재 일본에서는 3,500억 엔(플랜트 총 중량 약 1,5000톤)으로, 그 내역은 일차 냉각계를 포함한 노심부가 약 1,500억 엔(중량 약 5000톤), 터빈계 발전부와 건물에서 약 2,000억 엔(중량 약 1,0000톤)으로 산정되어 있다. 중량당 건설비(중량 단가)는 노심에서는 톤당 3천만 엔, 그 외에는 2천만 엔 이다. 노심의 중량 단가가 높은 이유가 검사 기준 및 품질 관리가 엄격하기 때문이라고 보면 중량 단가로 코스트 분석이 가능할 것으로 본다. 핵융합로 쪽은 분열로와 비교해 안전성이 높기 때문에 검사 기준 및 품질 관리 코스트 삭감이 기대되지만, 그 한편 초전도 코일 및 블랭킷 등에서는 고가의 재료가 많이 사용된다.
여기서 핵융합로 본체 관련 중량 단가도 경수로와 같은 정도라고 가정한다. 대담한 가정이지만, 본고에서는 핵융합로 속에서의 노(?) 개념 차이에 주목하기 때문에 문맥상 그 방향성에는 문제없다고 생각된다.
플라즈마 성능과 공학 기술 수준 모두 ITER에 준하도록 하고 열 출력은 ITER보다 몇 배가 되는 3GW(백만 ㎾ 발전로)의 핵융합로라고 상정하면 노 본체 중량 및 관련 기기의 중량은 3,5000톤에 달한다. 중량 단가를 경수로와 같다고 가정하면 노 본체만 해도 1조 엔 가까이에 달하고, 터빈계 발전부와 건물을 합하면 약 1조 2,000억 엔에 달한다. 이대로는 목표와 멀어 시장성을 획득하기 어렵다.
한편 핵융합 출력의 내실을 파헤쳐 경제성 향상의 방향을 탐색해 봤더니, 핵융합 출력 PF는 <식 1>과 같이 근소하게 표시할 수 있다.



여기서 Vp 및 Bt는 플라즈마의 체적 및 토로이덜자계 강도며, βt는 플라즈마 압력과 자계의 압력 비를 표시하고 베타 값으로 칭한다. <식 1>에서는 Vp, βt 및 βt는 각각 독립 파라미터 같지만, 사실은 연관성을 가지고 있다. 예를 들어 플라즈마 체적을 줄여 장치를 소형화하려 하면 플라즈마를 폐입하기 때문에 자계가 커지거나 또는 이러한 플라즈마 모양에서는 높은 베타 값을 얻지 못할 수도 있다.
<식 1>에서 PF, VP를 일정하게 하면 자계 강도 Bt는 베타 값 βt에 의해 변한다. 베타 값은 바꾸고 노 개념을 구상하여 중량 평가 및 건설 코스트를 산정한 후 <그림 2>로 나타냈다.



여기에서는 열 출력 3GW, 플라즈마를 둘러싼 용기 벽에 대한 평균 열 부하가 2㎿/㎡ 정도(중성자벽 부하 환산하여 Pn = 3㎿/㎡)가 되도록 플라즈마 체적을 설정했다. 이것은 토카막 본체부터 전자석계 중량을 제하고 노심부만의 중량이 경수로의 1차계 중량에 거의 필적하는 것에 해당한다.
<그림 2>에서는 위에서부터 순차적으로 저(低) 베타 값에서 고(高) 베타 값으로 바뀌고, 이에 수반하여 전자석계 중량이 감소해 가는 것을 볼 수 있다. 전자석계 중량이 노 본체 중량의 대부분을 차지하고 있는 영역(βt = 20% 이하)에서는 베타 값 상승에 의한 노 본체 중량의 삭감 효과는 극히 현저하다. 그런데 베타 값 무한대라는 것은 사고(思考) 실험상 거론됐을 뿐 이론상으로 있을 수 없는 일이다.
베타 값 100%의 플라즈마는 이론상 있을 수 있다고 생각되지만, 시험상으로는 아직 얻지 못하고 있다. 이처럼 고 베타화해도 어느 정도 전자석계 중량이 감소한 후(βt = 20% 이상)에는 전자석계 중량자체의 삭감율이 적지 않지만, 노 본체 전체의 삭감효과는 높아 수천 톤에 달한다. 따라서 베타 값20%가 목표가 된다. 거기까지 베타 값이 올라가면 핵분열로부터 연료비는 저렴해지므로 핵융합로도 경제 경쟁성을 가질 것으로 기대된다. 핵융합이 이 정도의 코스트로 제공될 수 있으면, 금세기 말경에는 에너지 수요 10% 정도의 점유율을 획득할 수 있다. 요약하자면 코스트에 있어 중요한 것은 플라즈마 체적 출력 밀도가 아닌 노 본체의 중량 출력밀도라는 얘기다. 즉, 경제성 향상은 베타 값 증가에 의해 진행된다는, 핵융합 연구의 여명기에서 선전되고 있는 과제로 도달한다.


베타 값과 노 개념

문제는 미래의 시장성에서 요구되는 베타 값20% 정도의 플라즈마가 현실적인 노 개념 속에서 성립되느냐 아니냐다. 기존 토카막 실험에서는 도넛 모양이 나오도록 자른 플라즈마 단면 형태의 차이점이 도달 베타 값에 주는 영향 및 플라즈마 전류 분포 및 압력 분포의 형태가 도달 베타 값에 주는 영향을 연구해 왔지만, 10%가 넘는 것은 없었다. 주어진 배위(配位)에서의 최적화에는 한계가 있으므로 배위 변경은 절망적이다.
토카막에서 베타 한계βC는 킹크(Kink) 모드, 벌루닝(Ballooning) 모드, 티어링(Tearing) 모드 등의 MHD 불안정성에 의해 결정된다. 트루아용(Troyon)은 킹크 모드와 벌루닝 모드가 베타 한계를 줌으로써 이론 계산 후 ‘트루아용 스케일링’이라는 반경험적인 이론식인 <식 2>를 얻었다.



안전계수 가 3 이하였다면 플라즈마는 불안정하고, 6이라면 안정적인 상태가 되기 때문에 ‘안전계수’라고 한다. 타원도 를 향상시키기 위해서는 플라즈마를 위아래로 늘린다. 그러면 상하 방향의 위치가 불안정해지기 때문에 피드백 제어로 인해 안정화된다. 어스펙트 비 A = 3 정도인 보통의 토카막에서 = 1.8, A = 1.5라면 = 3 정도다.
<식 2>에 의하면 어스펙트 비가 낮을수록 베타 한계는 높다. 따라서 고 베타 토카막으로 Peng은 A = 1.6이라는 극단적인 저 어스펙트 비 토카막을 제안했다. 이러한 저 어스펙트 비에서 플라즈마는 세로로 마치 씨를 뺀 사과 같은 모양이 되기 때문에, 구상(球狀) 토카막’이라 한다. 구상 토카막은 영국과 미국에서는 집중 실험되어βt = 40%라는 결과를 얻음으로써 고(高) 베타 핵융합로 실현이 꿈인것만은 아님을 실증했다.
규격화 베타 값 βN은 플라즈마의 전류 분포 및 압력 분포를 최적화하는 것으로, 어느 정도 증가를 기대할 수 있지만 동력로 플라즈마에 있어서 미묘한 분포 제어가 가능한지는 의문이다. 그러면 어스펙트 비 및 타원도 등의 단면 형상을 바꾸면 어떻게 될까. 미국 제너럴아토믹스(General Atomics)사에서는 자발 전류 99% 상정 플라즈마에 대해서 이론적으로 형상 의존성을 조사하고, 그 결과를 핵융합로 설계에 활용할 수 있도록 <식 3>으로 정리했다.



<식 3>에서는 A가 1.2에서 7.0까지, 는 1.5에서 6.0까지로 광범위하게 적용할 수 있다. 이를 그래프로 나타낸 것이 <그림 3>이다.
고 베타 영역에서는 전자석의 중량이 차지하는 비율이 낮아지기 때문에, 고 베타를 목표로 하여 전자석의 중량 경량화를 연구해도 전체의 경제성 향상에는 그 효과가 극히 적었다. 따라서 이 영역에서는 자계를 강화하여 코일계 중량을 다소 증가시켜도 노 본체 중량을 크게 높이지는 못한다. 자계 강화의 유도를 베타 값에 대한 요구 완화 또는 노 전체의 소형화로 돌리는 선택지도 발생한다.



최적로 개념 구축을 위해

이상과 같이 저 어스펙터 비가 진행됨으로써 핵융합로도 코스트 경쟁력을 가질 가능성이 발생했다.
그렇다면 제한 없이 어스펙트 비를 낮춤으로써 최적 노 개념에 접근할 수 있는가 하면 그렇지도 않다. 이를 모식화한 것을 <그림 4>로 나타냈다.
저 어스펙트 비에서는 중심축 측의 벽 면적이 적기 때문에 중심축 측에 중성자 증식 블랭킷을 둘 필요는 없지만, 토로이덜 코일과 플라즈마 간에는 중성자 및 열 차폐체(두께 약 1m)가 필요하다. 코일을 얇게 해도 차폐체가 장애가 되어 어스펙트 비를 어느 정도 이하로는 할 수 없다.
한편 강자계화 쪽도 장치 전체를 토로이덜 코일로 해야 하므로 이 그림대로라면 한계가 있다. Wong의 검토에서는 차폐체가 불필요한 동(銅) 코일을 이용한 경우에는 저 어스펙트 비가, 차폐체가 필요한 초전도를 이용하는 어떤 경우에는 고 어스펙트 비가 저 코스트가 된다. 미국에서는 전력을 판매할 필요가 없는 중성자원으로 저 코스트로 실현할 수 있는 동 코일의 저 어스펙트 비 토카막 계획이 제안되고 있다.
보통의 토카막 장치에는 ITER과 같이 장치 중심영역으로 플라즈마 전류를 시동하기 위한 중심 솔레노이드 코일(CS)이 있다. CS도 차폐체와 마찬가지로 저 어스펙트 비의 한계를 정하고 있다. 차폐체의 합리화에는 원리적으로 한계가 있다. 그러나 최근 CS를 이용하지 않고 플라즈마 전류를 시동하는 실험이 JT-60U에서 성공했다. 거기서 CS가 없는 초전도 토카막로 VECTOR의 설계를 시도했다. <그림 5>에 VECTOR를 나타냈다.



차폐체 두께를 1m로 가정하여 중량 출력 밀도를 최대화한 결과 어스펙트 비 A = 2.2 ~ 2.3을 얻었다. 이 경우 노 본체 중량은 1,0000톤 정도로 수납되어 <그림 1>과 같이 핵융합로 목표 영역에 달한다고 시산(試算)된다.
핵융합로 출력은 플라즈마 성능뿐 아니라 벽의 중성자 부하로도 결정된다. 콤팩트한 노에서는 중성자 조사로 손상 받은 벽의 교환 빈도를 올릴 필요가 있다. VECTOR는 <그림 5>와 같이, 블랭킷 등을 섹터마다 일체화하여 단기간으로 교환 가능하도록 구상되어 있다.


마무리

미래의 핵융합로 설계를 지금 진행하는 목적 중 하나는 연구 방향을 유도하기 위함이다. 여기에서 명확히 밝힌 바와 같이 경제성을 추구하려면 첫 번째로 고 베타, 두 번째로 저 어스펙트 비, 마지막으로 CS가 없다는 이 세 가지 조건이 중요하다. 고 베타, 저 어스펙트 비 토카막의 연구에서는 영국과 미국이 상당히 선전하고 있다. 이처럼 완전히 새로운 영역에서 핵융합로를 실용화하기 위한 연구가 진행되어야 하겠다.

핵융합(Nuclear Fusion) 수소, 중수소, 삼중수소 등 질량이 가벼운 원자핵 2개가 융합해 무거운 원자핵이 생기는 반응을 말하며, 이때 방출되는 에너지를 이용해 발전 등을 하는 것을 ‘핵융합'이라고 한다. 핵분열과 달리 방사선 폐기물을 발생하지 않는다는 특징이 있지만, 기존 열핵융합형의 노에서는 고온 고밀도의 플라즈마(원자핵과 전자가 혼재되어 있는 상태)를 만드는 것이 기술적으로 어려워 그 실현은 21세기 후반에 이루어질 전망이다. 핵융합로(Unclear Fusion Reactor) 제어된 핵융합반응을 일으켜 거기에서 얻어지는 에너지를 발전 등에 이용하기 위한 시스템이다. 이것을 가리켜 흔히 ‘지상에 태양을 만든다’고 한다. 태양과 같은 항성의 내부에서 일어나고 있는 열핵반응(핵융합반응)은 수소 원자핵이 4개 융합해 헬륨이 되는 반응이지만, 지상에서는 그만한 고압을 만드는 일이 어려우므로 삼중수소(트리튬)와 중수소의 반응을 이용한다. 현재 미국 프린스턴 대학의 TFTR, 유럽 EC의 JET, 일본 원자력연구소 JT-60의 3대 토카막(Tokamak)형이 선두 다툼을 벌이고 있다.