인공태양이라 불리는 핵융합 기술 원리와 장단점을 쉽게 알아보자

핵융합기술은 수십억 년 동안 불타는 태양의 원리를 이용한 미래 에너지 신기술로 세계 수많은 기업들과 선진국들이 개발을 추진하고 있습니다. 제프 베이조스, 빌 게이츠, 마윈, 손정의 등 전 세계 거물들도 핵융합 기술 스타트업과 프로젝트에 거금을 투자하고 있습니다. 오늘은 핵융합 기술에 대해 정말 쉽게 알아보겠습니다.

 

 

쉽게 설명하는 핵융합 기술의 원리 (인공 태양)

태양은 수십억년 동안 하루도 쉬지 않고 에너지를 내뿜고 있습니다. 가만히 생각해보면 어디서 누가 에너지를 계속 주고 있는 것도 아닌데 쉬지 않고 에너지를 내뿜고 있습니다. 태양이 자체적으로 에너지를 발산하는 원리가 핵융합입니다.

 

우리가 일반적으로 부르는 수소원자, 산소 원자 등에서 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다. 이 중 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 쪼개질 수 있습니다. 특히 수소 원자의 경우 자연계에서 대부분 양성자가 한 개인 원자핵으로 이루어져 있지만 일부 돌연변이 수소들은 양성자와 중성자 혹은 양성자 1개와 중성자 2개로 이루어져 있습니다. 이 중 양성자와 중성자가 1개인 수소를 중수소 양성자와 중성자가 2개인 수소를 삼중수소라고 합니다. 

 

 

중요한 것은 이러한 중수소와 삼중수소를 특정한 환경으로 셋팅하고 융합시키면 헬륨 원자가 하나가 생성되면서 중성자와 엄청난 양의 에너지를 내뿜는다는 것입니다. 중수소와 삼중수소의 결합 과정에서 헬륨 원자와 중성자 하나로 바뀌는데 이때 반응 후 질량이 반응 전 질량보다 낮아지게 됩니다. 아인슈타인의 상대성원리에 따르면 질량이 사라지면 그만큼 에너지로 바뀌게 되는데 핵융합 기술은 이렇게 부가적으로 생성된 에너지를 이용하는 것입니다. 

 

인공태양은 핵융합로 내에 초고온 플라즈마를 형성하여 약 1억 도가 넘는 온도를 세팅한 다음에 지속적으로 중수소와 삼중수소를 주입하여 에너지를 내뿜는 장치인 것입니다.

 

핵융합 기술의 장단점

핵융합 기술의 장점은 우선 고효율이라는 점입니다. 핵융합에 사용되는 중수소와 삼중수소 한 컵이 석유 100만 갤런으로 얻을 수 있는 에너지와 동일하다고 합니다. 또한 기존의 원자력 발전소에서 사용하는 원리인 우라늄을 사용한 핵분열 방식에 비해 연료 단위당 얻는 에너지가 약 10배가량 많습니다.

 

원자력 발전소의 핵분열 방식에 비하여 에너지 효율도 좋은데 더 중요한 장점은 방사능 폐기물이 전혀 없고 방사성 낙진이나 유해한 방사능이 분출되지 않는다는 것입니다. 

 

또한 연료로 사용되는 중수소와 삼중수소의 수급이 쉬운편입니다. 중수소는 바닷물을 전기 분해하여 생성할 수 있고 삼중수소는 중성자와 리튬이 섞인 삼중수소 증식 재라는 것을 이용하여 얻을 수 있습니다. 국내 국가핵융합연구소는 2016년에 삼중수소를 대량 생산할 수 있는 삼중수소 증식재 관련 기술을 개발하였습니다.

 

하지만 한계점이 존재합니다. 현재 기술상 1억 도씨가 넘는 플라스마 상태를 생성하거나 유지하는 게 매우 어렵습니다. 일단 1억 도씨를 어떻게든 올렸다고 하더라도 지속적으로 연료를 공급하면서 해당 온도를 유지해야 핵융합이 지속적으로 발생합니다. 그러나 융합로를 안전하게 유지하거나 온도를 일정하게 유지시키는 기술이 현재 부족하다고 합니다. 최근 중국의 국영기업이 101초가량 핵융합을 지속했다고 한 것 외에 특별한 성과는 없다고 합니다.

 

그렇기에 아직 에너지적인 효율성이 부족합니다. 1억도씨를 올리는 데 사용하는 에너지에 비해 얻는 에너지가 턱없이 작은 상황입니다.

 

그러나 정부 차원에서만 지속되던 핵융합기술 개발에 민간이 뛰어들고 있습니다. 이렇게 기술이 발전함에 따라 SMR 소형 원전 기술을 넘는 차세대 기술이 나오길 기대합니다. 혹시 SMR 소형 모듈 원자로에 관심이 있으신 분들은 →여기를 눌러서 관련 포스팅도 참고하시면 좋을듯합니다.