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청정에너지 생산하는 미래혁신 기술, 핵융합에너지

화석연료 대체한 새로운 에너지원 개발의 필요성 대두

우리가 현재 사용하고 있는 대부분 에너지의 80% 이상은 화석연료인 석유, 석탄, 천연가스에서 얻는다. 이런 추세는 당분간 큰 변화가 없을 것으로 보인다. 화석연료는 그 양이 한정되어 있어 점차 고갈되고 있으며, 사용 시 대기를 오염시키고 연료 연소 시 발생되는 이산화탄소가 지구온난화의 주범으로 지목된 것은 이미 오래전의 일이다. 산업혁명 이후 화석연료의 과도한 사용으로 배출한 이산화탄소가 전체 온실가스 중 60% 이상의 비중을 차지하고 있으며, 이 때문에 생긴 온실효과는 지구온난화와 각종 이상기후 현상의 원인이 되어, 지구 전체에 심각한 환경 재앙을 불러오고 있다. 이산화탄소의 배출은 21세기 들어서도 줄지 않는 상황이다. 중국과 인도 등 대형 개발도상국의 급속한 산업화에 따라 에너지 소비량은 오히려 폭발적으로 증가하고 있으며, 이런 추세가 유지된다면 2100년에는 대기 중 이산화탄소 농도가 지금의 두 배가 될 것이라는 우울한 전망이 자주 등장하고 있다.

이에 미래의 환경 재앙을 극복하고자 지난 2005년 세계 각국은 의지를 모아 ‘교토 기후변화 협약’을 발효시켰다. 세계 각국은 이제 화석연료를 대체하면서 온실가스 문제가 없는 새로운 청정 에너지원 개발에 대한 필요성을 더욱 절감하고 있다. 또한 현재 많은 비중을 차지하고 있는 핵발전소는 그 자체로는 좋은 에너지 발생원이지만 연료로 사용하는 우라늄과 핵분열 시 발생하는 각종 폐기물 방사성 동위원소들은 방사능을 가지기 때문에, 이것이 대기 중에 노출되면 치명적인 환경재앙을 일으킨다. 이런 시점에서 이산화탄소를 줄일 수 있는 대체에너지의 개발이 시급한데, 선진국을 중심으로 21세기 청정에너지 자원으로 한창 개발 중인 것이 핵융합발전이다.

안전하고 친환경적이며 연료가 무한해 인류의 궁극적인 미래 에너지원으로 평가받고 있는 핵융합에너지를 이용한 발전은 꾸준하게 관심과 연구의 대상이 되었다. 기술력을 갖춘 나라들은 핵융합 에너지의 가능성을 인식하고 국가 연구소나 대학을 통해 끊임없는 연구를 진행하고 있으며, 핵융합 전문가들은 현재 핵융합에너지의 상용화가 2040년대에 가능할 것으로 예상하고 있다. 하지만 2014년 미국의 한 방위산업체가 핵융합에너지를 이용한 발전기를 개발하고 있으며, 앞으로 10년 내 핵융합 발전을 상용화하겠다는 놀라운 발언을 해 세계를 깜짝 놀라게 했다.

원자 속에 저장된 에너지를 이용하는 방법에는 두 가지가 있다. 하나는 현재 사용하는 원자력 발전에서처럼 우라늄과 같은 무거운 원자가 가벼운 원자로 쪼개질 때 나오는 에너지를 이용하는 것인데 이것을 핵분열 발전이라 한다. 다른 하나는 가벼운 수소원자들(중수소, 삼중수소)이 합해져서 무거운 헬륨으로 변하면서 나오는 막대한 에너지를 이용하는 것이 핵융합발전이다. 지구에 에너지를 공급하는 태양은 수소와 헬륨의 가스덩어리인데, 현재에도 계속해서 핵융합반응이 일어나면서 에너지를 공급하고 있다. 태양의 중심은 1,500만°C 정도의 초고온으로 수소처럼 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 헬륨으로 바뀌는 플라즈마 상태에 놓여있다. 또한 태양은 고온의 플라즈마 상태에서 수소가 서로 융합하여 헬륨으로 바뀔 때 생긴 에너지를 방출하는 별이다. 태양은 약 50억 년 동안 엄청난 빛과 열에너지를 방출해 왔다. 태양은 약 100억 년 정도를 태울 수 있는 수소를 보유하고 있다고 하니, 앞으로 50억 년은 더 에너지를 방출할 것이다. 핵융합 발전에서 사용하는 연료인 중수소 1g은 석유 8톤에 해당하는 에너지의 생산이 가능하며, 욕조 반 분량의 바닷물에서 추출할 수 있는 중수소와 노트북 배터리 하나에 들어가는 리튬의 양만으로 한 사람이 30년간 사용할 수 있는 전기를 생산할 수 있다고 한다. 핵융합 반응에 사용되는 중수소는 바닷물 속에 무한히 존재한다.

핵융합발전은 온실가스 배출이 없는 청정에너지를 생산하는 미래 혁신기술이다. 저감기술을 적용한다 해도 이산화탄소를 배출할 수밖에 없는 타 에너지와 비교하면 그야말로 무공해다. 또 핵융합 발전은 바닷물을 원료로 사용하기 때문에 자원의 지역 편재와 에너지 고갈 걱정도 없는 무한 에너지다. 그러나 핵융합에너지의 생산을 위한 핵융합 발전의 단점은 기술 실현이 매우 어렵다는 것이다. 이러한 핵융합에너지의 상용화까지는 초고온 플라즈마의 장시간 가둠기술, 핵융합반응을 일으키기 위해 극한 환경에서도 파괴되지 않는 재료의 개발 기술, 초고온 플라즈마의 거동을 물리적으로 이해하고 제어하는 기술 등이 해결되어야 한다.

핵융합에너지는 지난 50여 년 동안 많은 선진국에서 경제적 활용 가능성을 검증하기 위해 노력해 왔으며, 특히 1990년대에는 컴퓨터 기술의 발달과 소재 공학의 발달로 핵융합에너지 상용화의 가능성을 확인하게 되었으며, 1997년 EU의 대형 토카막 JET에서 세계 최초로 16MW의 핵융합에너지 방출에 성공하였고, 1998년에는 일본의 JT-60U에서 투입대비 출력에너지가 같은 에너지 분기점(Q=1)을 넘어서면서 핵융합 기술의 과학적 타당성이 입증되었다. 핵융합에너지는 자원량이 풍부하고, 환경파괴가 없으며, 생산이 안정적이고 효율적이어야 한다는 미래 에너지원의 조건에 가장 들어맞는 에너지라 하겠다.

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