국가핵융합연구소(NFRI)
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핵융합에너지란?

1. 개요
전 세계적으로 생존을 위한 '에너지 전쟁'이 갈수록 치열해지고 있다. 이에 각 국가들은 안정적인 석유와 천연가스 확보에 총력을 기울이는 한편, 화석연료를 대체할 새로운 에너지 개발에 적극 나서고 있다. 에너지 수입 의존도가 97%에 이르는 우리나라는 석유 소비 세계 7위, 석유 정제 능력 세계 5위, 전력 소비 세계 12위의 세계 10대 에너지 소비국이다. 에너지 수입액만 연간 600~700억 달러에 이르고, 이산화탄소 배출량도 세계 9위를 기록하고 있어 차세대 에너지 개발이 절실한 상황이다.
이와 더불어 화석연료 가격이 해가 갈수록 급등함에 따라 우리나라는 에너지 비용 절감 차원에서 국내기술에 의한 안정적인 에너지원 확보가 필수적이다. 이처럼 우리나라를 포함한 세계 곳곳에서 에너지 자원 확보에 대한 분쟁과 갈등이 더욱 심해지는 상황 속에서 최적의 대체에너지로 주목받는 것이 '핵융합에너지'다.

2. 특징

⑴ 환경 친화적인 청정에너지
핵융합에너지는 이산화탄소 발생이 없어 지구온난화를 야기하는 온실가스를 배출하지 않는다. 원자력발전의 0.04%에 불과한 소량의 방사능에 의한 중 · 저준위 폐기물이 일부 발생하지만, 10년에서 길어도 100년 이내에는 모두 재활용이 가능해지므로 원자력발전처럼 장기 폐기물 처리시설이 필요하지 않다. 또한 연료 공급이 중단되면 1~2초 내로 운전이 자동 정지하기 때문에 발전소 폭발 및 방사능 누출 위험이 없다.

⑵ 무한하고 고효율적인 에너지
바닷물의 풍부한 중수소와 지표면에서 쉽게 추출할 수 있는 리튬(삼중수소)을 원료로 하기 때문에 자원이 거의 무한하다고 할 수 있다. 따라서 삼면이 바다인 우리나라에 있어 매우 유리한 에너지다. 또한 1g의 중수소와 삼중수소의 혼합연료로 시간당 10만㎾ 전기를 생산할 수 있으며, 300g 삼중수소와 200g 중수소만으로 100만㎾급 발전소 2기를 하루동안 가동할 수 있을 정도로 고효율이다.

3. 원리

⑴ 태양에너지의 비밀은 핵융합
태양과 같이 스스로 빛을 내는 별은 핵융합반응을 통해 에너지를 발생한다. 별들의 중심은 1억℃ 이상의 초고온 플라즈마 상태이며, 이러한 상태에서는 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 일어난다. 이 융합 과정에서 나타나는 질량 감소가 엄청난 양의 에너지로 방출되는데, 이를 '핵융합에너지'라고 한다(이는 아인슈타인의 특수 상대성 이론 E=mc²를 바탕으로 하며, 이와는 대조적으로 핵분열반응을 이용한 것이 원자력발전이다).
그러나 지구는 태양처럼 핵융합반응이 일어날 수 있는 초고온 · 고압 상태의 환경이 아니기 때문에 자기장이나 레이저를 이용해 태양과 같은 환경을 인공적으로 조성하는 '핵융합로'를 만들어야 한다.

⑵ 지구에서 핵융합에너지를 얻으려면
핵융합에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억℃ 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합 장치 및 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다.
수억℃의 플라즈마 상태에서 수소 원자핵들이 융합함으로써 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있다.
핵융합 장치는 이 같은 초고온의 플라즈마를 진공용기 속에 넣고, 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가둬 핵융합반응이 일어나도록 하는 원리를 갖고 있다. 이 때문에 핵융합 장치 벽면에 직접 닿는 부분의 온도는 수천℃에 불과하다. 핵융합 장치는 이렇게 태양에서와 같은 원리로 에너지를 만들어 낸다고 해 '인공태양'이라고 불리기도 한다.

⑶ 가장 진보한 핵융합 장치는 토카막
여러 '인공태양'방법 중 국제적인 노력으로 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합 장치다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적인 상태를 유지하도록 제어한다.

토카막은 러시아말인 'Toroiidalonaya Kamera(Chamber) Magnitnykh(Magnet) Katushkah(Coil)'의 첫 자를 따서 만든 합성어로, 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대에 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후 전 세계적으로 그 우수성을 인정받았다. 현재 작동 중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

⑷발전
핵융합 발전로 안에서 일어나는 초고온 플라즈마의 핵융합반응을 통해 생성된 중성자의 열에너지가 증기를 발생시키고, 그 증기가 터빈 발전기를 돌려 전기를 생산한다.

① 高진공용기 안에 중수소와 삼중수소를 주입하고 플라즈마 상태로 가열한다.
② 토카막의 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둔다.
③ 플라즈마를 약 1억℃ 이상으로 가열해 핵융합반응을 일으킨다.
④ 핵융합반응 시 일어나는 질량 결손에 의한 핵융합에너지가 중성자 운동에너지로 나타난다.
⑤ 중성자 운동에너지가 열에너지로 변환돼 증기를 가열하고 터빈을 돌려 대용량의 전기를 생산한다.

세계 최고 수준의 핵융합 연구 장치 'KSTAR'
국가핵융합연구소(NFRI)는 핵융합 원천기술을 확보하고, 21세기 핵융합에너지 상용화를 선도하기 위해 가장 진보된 형태의 핵융합 장치인 차세대 초전도 핵융합 연구 장치 'KSTAR(Korea Superoonducting Tokamak Advanced Research)'를 국내기술로 개발 · 제작했다.
우리나라가 에너지 강국으로 발전할 수 있는 기반이 될 KSTAR는 2007년 9월에 건설 완공된 이후 종합 시운전을 거쳐 2008년 7월 최초 플라즈마 발생을 선언하고 본격적인 운영 단계에 들어섰다.
KSTAR는 국제핵융합실험로 ITER의 약 1/25 규모로, ITER 완공 때까지 ITER 건설 및 운영에 필요한 기초 실험기술 자료를 상호 보완적으로 제공하며, 한국형 핵융합 실증로 건설에 필요한 독자적인 연구를 수행한다.

1. KSTAR 건설 단계 연구 성과

⑴ ITER 공동 개발 합류
KSTAR 개발을 통해 핵융합 기술의 우수성을 인정받은 우리나라는 ITER 사업에 참여하게 됐다. KSTAR에 사용된 신소재 초전도체(Nb₃Sn)는 ITER에 사용되는 것과 같은 것으로, 현재까지 모든 초전도 자석이 Nb₃Sn으로 만들어진 핵융합 장치는 KSTAR가 유일하다. 이 때문에 KSTAR는 ITER의 축소판으로 불리며, ITER의 본격적인 운영 전에 사전 시험 장치로 활용될 것으로 기대된다.

⑵ 핵융합 장치 건설 핵심기술 독자 확보
우리나라는 설계, 개발, 제작까지 KSTAR의 전과정을 순수 자체 기술로 개발했다. KSTAR 건설을 통해 세계 최고 성능의 초전도 자석 제작기술을 보유하는 등 건설기간 동안 핵융합 관련 10대 원천기술을 획득했다.


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⑶ 전략적 국제 협력 통한 자원 한계 극복
미국(1996. 6), 일본(2004. 11), EU(2006. 11)등과 국가 간 협력 약정을 체결해 현물 유치(미국 2,600만 달러 규모), 부대 장치(일본 2,000만 달러) 공동 개발 등 실질적인 성과를 획득했다.

⑷ 핵융합 실증로 및 상용 핵융합 건설을 위한 기술 자료 축적
우리나라는 KSTAR 장치 건설 과정에서 파생된 기술 문서 1,165여 건, 학술지 400여 건(SCI급 250여 건), 특허출원 91건(국내 87건, 해외 4건), 특허등록 46건(국내 42건, 해외 4건) 등을 D/B로 구축했다(2008년 1월 기준). 이 자료는 향후 한국형 실증로 및 상용 핵융합로 건설을 위한 기준서로 활용된다.

2. KSTAR 최초 플라즈마의 달성 의의

⑴ 최초 플라즈마의 달성 의의
세계 최초로 ITER 설계와 동일한 초전도 재료인 Nb₃Sn(니오븀 주석합금)을 활용한 토카막 핵융합연구 장치 운전에 성공함으로써 우리나라에서 본격적으로 핵융합 연구를 수행할 수 있는 기반을 마련하게 됐다. 이는 KSTAR와 동일한 초전도 재료를 사용하는 ITER의 성공 가능성에 더욱 힘을 실어주는 사례다. 또한 KSTAR 종합 시운전의 완성 단계로 각 세부 장치의 기본 성능을 최종 검증함으로써 KSTAR 기본 성능에 대한 국제적 신임도 제고하게 됐다.


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⑵ 플라즈마 발생 기준
KSTAR 최초 플라즈마 발생 기준은 ITER와 동일 기준을 적용해 100㎄(플라즈마 전류 세기), 100㎳(플라즈마 지속시간)다. 초기 플라즈마 발생 기준은 규격화된 것은 없으나 토카막 장치별 특성에 따라 측정 및 진단 가능한 목표값을 설정해 달성했다.
한편 세계 최대 규모인 영국 JET 장치의 경우, 플라즈마 전류의 설계값이 7MA급이나 최초 플라즈마는 19㎄ 수준으로 정격의 약 0.2% 값을 달성한 바 있다.

3. KSTAR 단계별 운영 계획
KSTAR 운영 목표는 '핵융합 발전로 건설을 위한 핵심기술 개발'이다. 즉, 핵융합 연구 장치 운전기술 선진화 및 국제 공동 연구 장치 기반을 조성하고, 상용 핵융합 건설을 위한 핵심기술을 선점, 주도하기 위한 것이다.
이를 위해서는 먼저 초전도 토카막 기본 운전기술확보를 통한 선진국과의 기술 격차 해소 및 장치의 안정적 운영기술을 확보해야 하며, 아직 해결하지 못한 ITER 운전기술 최적화를 통한 ITER 운전 성공 가능성 증대 및 ITER 운영 단계에서의 연구 주도 기반도 확보해야 한다. 또한 최종적으로 고성능 장시간 AT 운전기술 개발을 통한 경제적 DEMO건설 기반 확보 및 상용 핵융합로 개발을 선도해야 한다.

4. KSTAR 운영 단계 추진 전략

⑴ 국내 공동 연구 중심 장치로 운영
KSTAR는 우리나라의 유일한 토카막 장치로 국내 핵융합 전문가들이 참여한 핵융합 공동 연구 중심 장치로서 활용될 것으로 기대된다. 플라즈마 물리, 원자력, 재료 분야 등 국내 연구 역량을 최대한 활용해 핵융합 신진인력 양성을 위한 장치로 사용하면서 핵융합 기초 연구 및 인력 양성 등 다른 국내
핵융합 프로그램과 긴밀히 연계한 핵융합 연구 개발 및 교육 훈련도 추진할 계획이다.

⑵ 국제 공동 협력을 적극 활용
핵융합 선진국 등과의 전략적 국제 협력을 전개해 부대 장치의 공동 개발 등 재원 부담을 분산하고 기술적 성공 가능성을 제고한다. 또한 핵융합 선진국과의 인력 교류 및 국제 공동 연구를 적극 활용함으로써 조속한 선진기술 습득 및 연구 역량 강화를 추진하는 한편, ITER와의 체계적인 연계를 통해 ITER 운전기술 최적화를 위한 KSTAR 활용을 극대화하고 효율적인 공동 연구도 수행할 계획이다.

⑶ 체계적인 운영 계획 수립 및 평가
장기간의 운영기간을 5년 단위로 구분, 각 단계별 주요 운전 및 연구 계획을 수립 · 시행한다.
각 단계별로 주요 마일스톤(Milestone)을 설정해 이를 근거로 평가하고, 평가 결과는 향후 사업의 지속 결정 및 방향 조정 등에 활용한다. 또한 각 단계마다 부대 장치의 성능 향상 필요성을 분석, 평가해 하드웨어의 최적 활용과 구축 비용 최소화를 도모한다.

5. KSTAR 운영 기대 효과
첫째, 초전도 핵융합 장치 운영의 핵심기술 개발이다. KSTAR는 기존 핵융합 장치가 해결하지 못한, 핵융합 상용화를 위한 필수과제인 '장시간 핵융합 플라즈마 운전'과 '제어기술 습득'을 목적으로 하는 중요한 장치로, ITER 가동 전까지 세계 핵융합 연구를 선도할 것으로 기대를 모으고 있다.
둘째, 핵융합 기초 연구 및 공동 연구의 중심 장치로의 활용 가능성이다. KSTAR는 핵융합 기초 연구를 통한 선진국 수준의 연구 역량을 지속적으로 강화하고 장치 운전 및 R&D 전문인력 양성에 도움이 될 것이다. 또한 고효율 플라즈마의 장시간 운전기술을 확보하고 블랭킷 등 재료의 특성 연구를 수행해 핵융합 발전로 핵심기술 개발에 기여할 것이다.
셋째, 국제 협력을 통한 선진기술 조기 습득 및 운영 비용 절감을 들 수 있다. KSTAR는 건설 단계에서 Pilot 장치로 ITER와 선행 연구를 수행하고, 운영 단계에서는 높은 기동성을 활용해 Satellite 역할도 수행할 것으로 기대된다. 또한 미국, 일본, EU 등 해외 공동 투자를 적극 유치해 성능 향상, 국제 공동 운영 등 KSTAR 장치의 효율성을 극대화한다.
넷째, 부대 장치의 단계적 성능 향상을 통한 운전기술 고도화를 도모한다. KSTAR 중장기 운영 계획을 수립하고, 단계별로 성능 향상 및 연구 능력 수월성 확보를 위한 목표를 마련해 2040년대 한국형 핵융합발전소 건설을 위한 견인차 역할을 할 것으로 기대된다.
다섯째, 기후변화와 화석연료 고갈에 대비한 중장기 전략기술의 옵션 확보다. KSTAR는 에너지 공급체계에 혁신적인 변화를 가져올 수 있는 기술로, 중장기적으로 기후변화 대응을 위한 저탄소 에너지시스템 구축과 화석연료 고갈에 대비한 에너지 안보 강화에 크게 기여할 것으로 보인다.

해외 핵융합 장치와 KSTAR 비교

1. 해외 핵융합 건설기술 수준과 비교
1960년대부터 핵융합 장치 건설기술을 개발해 온 선진국과 달리 우리나라는 그동안 건설 및 운영 경험이 빈약했다. 그러나 KSTAR 장치 건설을 통해 핵융합 장치 건설기술면에서 선진국의 약 75% 수준, 초전도 자석 분야는 세계적인 수준에 이르렀다는 평가를 받고 있다. 2005년 기준으로 미국 · EU · 일본과는 6~7년 정도의 기술 격차를 보이고 있으며, 중국보다는 0.5년 정도 앞서 있는 것으로 평가됐다. 하지만 'EAST'를 완공한 중국은 운영기술에서는 한국을 앞서 있다.

2. 한 · 중 · 일 동북아 3개국 핵융합 연구 비교

⑴주요현황및성과
일본은 1961년 플라즈마 연구소 설립을 계기로핵융합 연구에 착수해 다양한 방식의 핵융합로(토카막, 스텔러레이터, 관성 핵융합)를 개발 · 연구하고 있다. ' JT-60'및 'JT-60U'등대형핵융합장치에서 1998년 에너지 분기점 이상(Q=1.25)을 달성했으며, 'JT-60U'후속 장치로 'JT60SA(NCT)'를 2013년 완공할 예정이다.
중국은 1970년대 구소련에서 제작한 'HT-7'을 들여온 후 본격적으로 연구에 착수했다. 1995년에는 독일에서 중형 'ASDEX'토카막을 도입해 개조한 후 2002년 12월부터 가동을 시작했다. 2006년에는 초전도 자석인 중형 초전도 토카막 'EAST'장치를 완성하고 그해 9월 첫 방전 실험에서 섭씨 5천~6천만℃를 달성했다.

한국은 1970년 말에 'SNUT-79'라는 소형 토카막을 제작했으며, 소규모 핵융합 연구 끝에 정부의 중간 진입 전략을 바탕으로 1995년 'KSTAR'사업에 착수했다. 2005년 10월 국내 최초 핵융합 전문 연구기관인 핵융합연구센터(NFRC)를 설립했으며, 2007년 9월 KSTAR를 완공했다.

⑵기술수준
토카막 건설, 초전도 자석, 핵융합 운영 등 주요장치 기술 부분에서 가장 높은 수준을 보여주는 일본은 재료 연구, 이론 및 실험 분야까지 세계 수준의 역량을 가졌다. 일본에 비해 기술 수준이 떨어지는 한국과 중국은 핵융합 장치의 설계 제작에서는 세계적인 능력을 보유하고 있다. 지속적인 연구 개발과 투자가 이뤄진다면 2015년경에는 일본과의 기술 격차가 상당히 줄어들 전망이다.

ITER 공동 개발 사

1. 개요
라틴어로 '길'을 뜻하는 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)은 국제 협력 하에 핵융합발전 실험로를 건설하는 것으로, 우리나라, EU, 일본, 러시아, 미국, 중국, 인도 등 7개 국이 참여하는 인류 역사상 최대 규모의 국제 공동 프로젝트다. ITER 사업은 지난 40년간 세계 핵융합 실험 장치가 이루어 낸 실험 결과를 종합해 핵융합에너지 상용화를 공학적으로 점검하는 것으로, 이후 실증로를 거쳐 상용화 발전에 돌입하게 된다.

2. ITER 프로젝트 추진 경위
1985년 11월 구소련의 고르바초프 서기장과 레이건 미국 대통령의 정상회담에서 소련, EU, 미국, 일본 등이 공동으로 참여해 평화적 이용 목적의 핵융합에너지를 개발하는 '국제 공동 연구 프로젝트'를 추진하고자 제안했다. 이후 IAEA의 후원 아래 ITER 이사회를 조직하고 미국, 러시아, EU, 일본 등이 초기 ITER 국제 공동 연구 개발 사업을 출범시켰다.

3. ITER 개발 사업의 의의
ITER은 세계에서 유일한 핵융합 실험로로 'ITER → 핵융합 실증로(DEMO) → 상업용 핵융합로'로 이어지는 핵융합 전략 로드맵에서 핵융합에너지의 실용화를 위한 과학적, 공학적 가능성을 최종적으로 검증하는 단계다.
이 장치로 다양한 실험을 실시해 핵융합로 조건에서 플라즈마 밀폐 현상의 물리학적 이해도를 완성하고, 성능이 보다 향상된 고성능 토카막 운전을 실현하는 것이 목표다. 더 나아가 연료 주기 연구, 재료 및 방사화 연구 등의 핵융합로 공학 분야 연구를 통해 상용화를 위한 과학적 · 공학적 · 기술적 자료를 제공하게 될 것이다. 또한 핵융합에너지의 경제성과 안전성을 보장하고 연속 발전이 가능한 상용핵융합로 개발을 가능하도록 할 것이다.

4. ITER 총 사업비 및 참여국 건설비 분담
2015년까지 약 50.8억 유로의 건설비가 투입될 것으로 예상된다. 유치국 EU가 전체의 45.46%인 약 23.09억 유로(약 2조 7708억 원)를, 비유치 6개 국이 각각 9.09%인 4.62억 유로를 분담한다.
ITER 건설비는 장치 제작비(42.9억 유로), 국제기구 운영비(6.8억 유로), R&D 비용(1.2억 유로) 등으로 구성된다.

우리나라는 현금으로 22%, 현물로 78%를 지불한다. 현물 조달분은 참여국이 각각 할당받은 조달물량을 자국에서 제작해 납품하는 비용과 자국 전문인력 파견 비용을 말한다. 우리나라는 진공용기, 초전도 자석, 삼중수소 운송 · 저장, 전력 공급 계통, 블랭킷 등 총 10개 품목을 국내기술로 제작, 공급한다. 현금 분담은 건설 직접비, ITER 기구가 수행할 R&D 비용, 전문인력 및 지원인력 직접 고용 비용 등으로 구성된다(<그림 6> 참조).
또한 우리나라는 조달품목 협상 과정에서 사전에 내부 기준을 설정하고 협상에 임해 86개의 조달품목 중 <그림 7>과 같은 10개 품목에서 금액 기준 9.09%를 성공적으로 협상 완료했다.

5. ITER 사업 참여 의의
첫째, 과학기술 강국 위상 제고 및 에너지 종주국으로의 도약이다. 핵융합 선진국과 대등하게 참여함으로써 과학기술 강국으로의 국제적 위상을 제고하고, 첨단 핵심기술 및 대량 생산기술을 확보해 에너지 종주국으로 도약하는 기회를 마련할 수 있다.
둘째, 산업체 경쟁력을 강화하고 핵심기술을 확보할 수 있다. 핵심부품을 국내기술로 제작해 산업체 경쟁력을 강화하며, 이를 통한 생산 유발 효과는 수백억 원대에 이를 전망이다. ITER 운영 단계에서도 운영 과정 참여를 통해 한국형 실증로 및 상용로 개발 · 운영에 필요한 핵심기술의 확보가 가능하다.
셋째, 선진기술 습득 및 핵융합로 제작기술의 이전이다. 핵융합 선진국이 20년간 축적한 핵융합로공학적 설계기술을 습득 · 도입할 뿐 아니라 ITER조달품목 납품을 통한 핵융합로 제작기술을 이전한다. 우리나라 부담의 9.09% 현물 조달분(약 3억 유로)에 대한 ITER 조달품목을 우리 기업이 ITER 국제기구에 납품함으로써 산업체의 첨단기술 이전 효과를 볼 수 있다. 한국 투자분 외에 다른 참여국에 할당된 ITER 조달품목에 대해 우리 기업이 수주해 추가적인 수해를 기대할 수 있으며, 제작 과정에서 전문인력을 양성하는 기회가 마련된다.
넷째, 에너지 주권을 확보할 수 있다. 2050년부터 핵융합발전소가 신규 전력 수요를 대체, 2070년대까지 100만㎾ 핵융합발전소를 60기 이상 건조할 경우 국내 전력 수요의 30% 이상을 담당하게 될 전망이다(2005. 12. 국가핵융합에너지개발기본계획).

6. ITER 한국 사업단
ITER 한국 사업단은 ITER 사업의 국제 협약에 의해 설립된 실질적인 국내 전담기관으로, 우리나라 조달 장치의 설계 · 제작 및 적기 납품을 담당하고 ITER 장치 건설 및 운영을 위한 전문인력 선발파견 등을 통해 고급 전문인력을 양성한다. 또한 ITER 사업 정책 결정을 위한 정부 지원과 핵융합발전로 건설을 위한 자료 관리 및 종합 사업 관리 시스템 확립 등 ITER 장치 건설 · 운영을 통한 핵심원천기술 확보를 목표로 하고 있다.

 

상대성 이론 아인슈타인(A.Einstein)에 의해 전개된 물리학의 이론 체계로, 일반적으로 자연현상은 좌표계에 의해 다르게 관측되지만 물리학의 법칙은 모든 좌표계에 있어서 같은 형식으로 표현해야만 한다는 이론이다. 1906년 뉴턴 역학에 의해 알려졌던 상대성 이론을 시간 · 공간의 개념을 근본적으로 변경해 물리학의 여러 법칙에 적용한 것이 특수 상대성 이론이며, 상대성 이론을 확장해 뉴턴의 만유인력 대신 일반 상대성 이론을 완성했다.

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