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물리 책수행

by 최연서

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인공 태양이 만들어갈 미래
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-2524 최연서
태양은 생명의 근원이다. 태양이 엄청난 에너지를 발산할 수 있는 것은 내부에서 핵융합 반응을 일으키기 때문이다. 핵융합 에너지는 미래의 청정 에너지원으로서 선진국들로부터 꾸준히 연구되고 있으며, 그 중에서도 한국형 인공태양 KSTAR는 첫 가동 이후 꾸준히 세계 신기록을 갱신해가며 그 우수성을 널리 입증해왔다.
핵융합이란
핵융합이란 질량수가 작은 원자핵이 융합하여 질량수가 큰 원자핵으로 되는 현상으로, 이 과정에서 질량결손에 해당하는 만큼 에너지가 방출된다. (E=mc²)
지구에서 구현하는 핵융합 반응은 중수소와 삼중수소의 반응으로, 중수소 원자핵과 삼중수소 원자핵이 충돌하여 헬륨 원자핵과 중성자가 생성된다.
이는 엄밀하게 따지자면 태양에서 일어나는 핵융합 과정과 조금의 차이가 있지만 같은 원리이다. 이 때문에 핵융합로를 '인공태양'이라 일컫는다.

+핵분열이란
인공태양 KSTAR
*플라즈마 : 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직일 수 있는 상태
엄청난 중력을 가진 태양은 그 힘을
바탕으로 핵융합 반응이 저절로 일어나지만 태양보다 중력이 훨씬 작은 지구에서 이는 불가능한 일이다. 때문에 인공적인 핵융합을 위해서는 태양 중심 온도(1500만℃)보다 높은 온도의 플라즈마를 장시간 유지할 수 있어야 한다. 이에 필요한 것이 핵융합 장치 토카막으로, 도넛과 비슷하게 생긴 토카막은 자기장을 이용해 초고온의 플라즈마를 가두고 제어하는 장치이다.








그리고 2018년 12월, 국내 연구진이 사상 최초로 토카막 장치의 이온 온도 1억℃를 달성하였고, 이는 2008년 첫 플라즈마 구현에 성공한 이후 10년간 이어진 끈기의 결과였다.
KSTAR는 그 이후로 2019년 1억℃의 플라즈마를 8초간 유지하며 세계 신기록을 세웠고, 2020년에는 20초, 2021년에는 30초 유지에 성공하며 신기록을 스스로 갈아 치우고 있다.
이것이 가능한 이유는 우리나라가 우수한 초전도 자석 기술을 갖고 있기 때문이다. KSTAR에 설치된 초전도 자석은 지구 자기장보다 14만 배나 강한 자기장을 발생시킬 수 있는데, 이 자기장으로 초고온의 플라즈마를 가둬서 유지할 수 있는 것이다.

<KSTAR의 에너지 생성 과정>
① 토카막 장치
장치 내부를 초고온, 진공 상태로 유지
시켜 플라스마를 생성한다.
토카막 장치에는 플라스마를 가두는 초전도 자석이 설치되어 있다.
③ 블랑켓
핵융합 에너지를 가진 중성자를 포획하여 열에너지로 전환한다.
<KSTAR의 에너지 생성 과정>
② 플라스마
초고온의 플라스마 상태에서
수소 원자핵이 융합되어
핵융합 에너지가 발생한다.
④ 열 교환기
열에너지는 열교환기를 거친 후
발전기로 전달되어 전기를 생산한다.
KSTAR에 이용된
플라즈마 운전 방식
기존에 가장 대표적인 플라즈마 운전 방식은 고성능 플라즈마 운전모드, H-모드이다. H-모드는 1982년 독일의 핵융합연구장치(ASDEX) 토카막에서 실험 중, 외벽 근처에서 플라즈마를 가두고 제어하는 성능이 갑자기 2배 이상으로 좋아지는 현상에서 착안했다. 그러나 H-모드는 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 이용하기에, 가장자리의 압력이 임계치를 넘어서 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상, ELM이 일어나 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다.











이에, 한국핵융합에너지연구원 한현선 박사의 연구팀과 서울대학교 나용수 교수의 연구팀은 공동연구를 통해 새로운 핵융합 운전모드를 개발하여 네이처 지에 발표했다. 각 연구팀은 특정 상태의 플라즈마에서 밀도를 낮추었을 때, 높은 플라즈마 성능과 1억 도가 넘는 이온온도를 확인했다. 이러한 성능향상에 대해 KSTAR 데이터 분석과 시뮬레이션 검증을 통한 구체적인 분석을 함께 수행하여 개발한 것이 ‘고속이온’을 통한 FIRE 모드이다.
FIRE 모드는 상대적으로 낮은 플라즈마 밀도에서 중심부에 가열을 집중하는 방법으로, 플라즈마를 가열해 발생한 고속이온이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 온도와 지속시간 등의 성능이 급격히 향상된다. FIRE 모드는 기존 H-모드 이상의 성능을 보여주는 동시에 단점인 불안정(ELM) 현상이 발생하지 않는데다, 복잡한 운전 방식을 필요로 하지 않고 플라즈마 내 불순물이 축적되지 않는 등의 장점이 있다.
인공 태양의 미래
인공 태양 기술이 인류의 희망이라 불리는 데는 크게 '무한한 에너지원', '친환경 무공해 발전', '매우 낮은 사고 위험성'의 3가지 이유가 있다.
① 무한한 에너지원
연료의 고갈을 걱정할 필요도 없다. 인공 태양은 중수소와 삼중수소를 연료로 사용
하는데, 중수소는 바닷물을 전기분해 해서 얻을 수 있고, 삼중수소는 리튬을 핵융합로에 투입시켜 중성자와의 반응을 통해 얻을 수 있다. 지구 표면의 70% 이상이 바닷물이며 리튬 또한 매장량이 풍부하다는 것을 고려하면 연료는 무한하다고 할 수 있다(바닷물 45L에서 추출한 중수소, 노트북 리튬 배터리에서 추출한 삼중수소로 4인 가정이 80년 정도 쓸 수 있는 에너지 생성 가능).
게다가, 지구에는 없지만 달에는 풍부한 '헬륨3'도 인공 태양의 연료로 사용할 수 있다. 이러한 경우 수소를 연료로 사용할 때보다 더 쉽고 효율적으로 에너지를 만들 수 있다. 이 때문에 실제로 우리나라의 달 탐사선 다누리가 헬륨3의 분포 지역을 찾고 있다.
②친환경 무공해 발전
인공 태양 발전이 상용화되면 기후위기의 주범으로 지목받는 탄소에 대한 걱정이 사라지게 될 것이다. 현재 개발 중인 태양광 발전이나 풍력 발전도 탄소 배출은 없지만, 자연 환경에 의존해야 하고 한 번에 큰 에너지를 만들어내지 못한다는 한계가 있다. 이와 달리 인공 태양은 친환경 발전 방식 중 유일하게 고밀도, 고출력의 에너지 생산을 할 수 있기에 기후 위기의 확실한 해결책이 될 수 있다. 또한 인공 태양이 핵융합을 통해 에너지를 만드는 과정에서는 탄소나 오염 물질이 아닌 헬륨이 발생한다. 헬륨은 인체에 무해한 가스이고, 반응성이 낮은데 가벼워서 지구의 환경에 영향을 미치지 못하고 우주로 빠져나갈 뿐만 아니라, 제조업 등 다른 산업에서 재사용할 수도 있다.
덧붙여, 발전소를 짓기 위한 땅도 많이 필요 없다는 장점도 있다. 태양광 발전의
경우 충분한 에너지를 얻기 위해서는 넓은 태양광 패널을 설치해야 하기 때문에
산을 깎는 등의 환경 파괴의 문제가 역으로 발생할 수 있지만, 인공 태양은 작은
발전소만 지어도 큰 에너지를 생산해낼 수 있다.
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