한국형핵융합연구로는 무엇인지 알아보자

한국형 핵융합연구로(KSTAR)는 국제핵융합실험(ITER) 장치와 기본개념 설계와 같다고 할 수 있으며, 개발과 연구를 통해 발전해 왔습니다.

 

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한국형 핵융합연구로(KSTAR)는 무엇인지 자세히 알아보도록 하겠습니다.

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 1995년에 개발에 착수하여 2007년 개발이 완료된 대한민국이 독자개발에 성공한 한국형 핵융합연구로이다.

대전광역시 유성구에 위치한 한국핵융합에너지연구원에 위치하고 있다. 

지름 10m, 높이 6m의 4,000억 원짜리 도넛형으로 생긴 토카막(Tokamak) 형 핵융합 실험로이다.

KSTAR의 콘크리트 벽의 두께는 1.5m로서, 아파트 3000 가구를 지을 수 있는 시멘트가 사용되었다.

2008년에 첫 플라스마 발생을 시작했고 최대 주입에너지는 14 MW, 플라즈마 전류는 2 MA이다. 

자기장의 강도는 3.5 테슬라이다. 2017년에 온도 7천만 켈빈의 수소 플라스마를 72초간 유지하였다. 

앞으로 300초 유지를 목표로 연구 중이다. 

최대온도나 투입에너지 대비 생성 에너지 비율인 융합 에너지 이득계수(Q ratio)는 세계의 타 실험로에 뒤지지만 주로 플라스마를 장시간 안정적으로 유지하는 연구에서 앞서가고 있다. 

Q 값은 아직은 세계최고가 1.25 정도이고 ITER의 목표가 10, 실제 상업적 발전소에는 20 정도가 필요할 것으로 추정된다.
핵융합 반응을 이용하는 핵융합 발전은 태양이 불타는 원리와 같다. 

태양은 수소, 헬륨의 핵융합 반응으로 엄청난 열과 빛의 에너지를 지속적으로 뿜어내고 있다. 

태양에서는 수소 원자 4개가 합쳐져 1개의 헬륨을 만드는데, 매초 7억 t의 수소가 헬륨으로 변환되고 있다.

이 과정에서 태양은 질량 결손에 의해 초당 4 조 W의 100조 배에 달하는 에너지를 방출하고 있다.

핵분열과 핵융합 반응은 모두 아인슈타인의 E=mc² 특수상대성이론 공식에 따른 것으로, 원자가 분열되거나(핵분열) 합쳐질 때(핵융합) 원자의 질량이 손실되어 사라지면서, 그에 상응하는 에너지가 발생한다는 원리를 따른다.

예를 들면, 한국의 4곳의 핵분열 원자력 발전소는 연간 750 톤의 농축 우라늄과 천연 우라늄을 사용해 전기를 생산한다. 

핵융합 발전의 연료로는 중수소와 삼중수소가 이용된다. 

중수소와 삼중수소를 특수전기장치를 이용해 섭씨 1억 도까지 올리면 전자가 분리되고, 이온화된 다량의 원자핵과 전자가 고밀도로 몰려 있는 플라스마(plasma) 상태가 된다. 

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플라스마 상태의 중수소와 삼중수소가 서로 충돌하면 중성자와 헬륨이 생성된다. 

이때 생성된 중성자와 헬륨의 질량의 합은 충돌 전의 중수소, 삼중수소의 질량의 합보다 작은데, 이 질량의 차이가 에너지로 변환된다.

KSTAR 핵융합로의 구조는 간단히 비유해서 설명하면, 가정에서 쓰는 전자레인지와 같다. 

전자렌지 안에 중수소라는 요리를 넣고, 300초 이상 마이크로파를 쏘여서 가열한다. 

그러면 전자렌지 안이 3억 도의 온도까지 올라가고, 그 온도에 이르면 중수소라는 요리가 스스로 무게가 줄어들면서 그 손실된 무게에 상응하는 방대한 빛과 열 에너지를 방출하기 시작한다. 

그 열 에너지를 밖으로 뽑아내어 물을 끓여서 그 수증기로 발전기 터빈을 돌려 전기를 생산해 낸다. 

전자레인지가 중수소를 데우는 데 소모되는 전기에너지는 1W인 반면에, 3억도의 온도가 된 중수소가 스스로 내뿜는 에너지로 생산하는 전기에너지는 1억W, 1조W가 된다. 

한국원자력연구소 오병훈 박사는 "핵융합 발전이 상용화되려면 투입된 에너지보다 생산된 에너지가 20배 이상 많아야 하는데 현재는 같은 수준"이라고 말했다.

3억 도의 온도가 되어도 전자렌지가 녹거나 폭발하지 않게 하는 기술, 그리고 중수소가 너무 갑자기 에너지를 방출하지 않고 그 발생되는 에너지를 통제할 수 있는 기술 등 여러 가지 최첨단 기술이 필요하다.

핵융합 발전의 연료인 중수소는 바닷물 1L에서 0.03g을 얻을 수 있으며, 삼중수소는 리튬을 통해 얻을 수 있다. 

핵분열의 경우 희귀 자원인 우라늄이 필요하여 한국은 우라늄을 수입해야만 핵분열 원자로를 가동할 수 있는데, 핵융합 발전의 연료는 쉽게 구할 수 있어 에너지 수입의존도가 97%가 넘는 한국에게는 매우 중요한 사업이다. 

또한 우라늄 등을 사용하는 핵분열과 달리 핵융합은 원전의 0.04%에 불과한 소량의 방사능만 발생하여 방사능 문제가 거의 없다고 볼 수 있다.

에너지 효율도 높아 이론상, 삼중수소와 중수소 1g은 시간당 10만 KW의 전력 또는 석유 8t과 같은 에너지를 생산할 수 있다. 

인위적인 핵융합은 자발적 연쇄반응이 아니므로 핵융합 조건을 제거하면 즉시 핵융합 반응 및 발전을 차단시킬 수 있어 폭발 등의 위험성도 낮다.

위의 설명은 1세대 핵융합의 경우이고, 이 경우 핵융합 시 발생하는 중성자와 그릇의 충돌에 의해 방사능 물질이 생성된다. 

2세대 핵융합은 중수소 2개로 핵융합을 하는 경우로서, 아직까지 구현해 낸 나라는 없다. 

이 경우 중성자가 1세대에 비해 적게 생성된다. 

마지막 3세대 핵융합은 중성자와 헬륨 3의 핵융합으로서 역시 구현한 곳은 없지만, 한국이 주도적으로 이끌어 갔으면 합니다.