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지구의 자원고갈로 신성장동력 에너지창출이 세계적 화두가 되고 있는 가운데 차세대에너지원이자 무한·청정에너지인 핵융합에너지가 대체에너지로 주목받고 있다. 지금의 에너지원 한계를 극복할 최적의 에너지로 각광받고 있는 것이다.

대전 대덕특구 안에 있는 국가핵융합연구소(NFRI, 소장 이경수)는 핵융합에너지 개발, 핵융합 파생기술 확산, 산업화를 추진하는 핵융합전문연구기관이다.

우리나라는 1995년 말 국가핵융합연구개발 기본계획을 확정, ‘차세대 초전도 핵융합연구장치(KSTAR Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)’ 개발운영사업을 시작했다. 1996년엔 핵융합연구개발사업단이 출범했고 2002년엔 핵융합특수실험동 건물이 지어졌다. 2003년 6월 우리나라는 국제핵융합실험로(ITER)에 가입, 핵융합상용화에 동참을 선언했다.

2004년 주장치 조립·설치에 들어간 KSTAR는 2007년 9월 관련장치개발을 끝냈다. 2005년 기초과학지원연구원 부설 핵융합연구센터로 출범한 연구소도 KSTAR 완공과 함께 국가핵융합연구소로 거듭났다.

국가핵융합연구소는 국가핵융합연구개발사업의 중심기관으로서 국제핵융합 공동연구기관으로 운영되고 있다. KSTAR 핵융합장치운영으로 ITER의 파일럿플랜트 역할을 하는 한편 플라즈마응용기술을 통해 신산업창출에 기여하는 게 주된 목표다.

순수 국내기술로 제작 ‘KSTAR’ 플라스마 발생 성공

지난 7월 15일 국민들의 시선은 대전 국가핵융합연구소에 쏠렸다. 한국형 핵융합시험로 ‘KSTAR’가 플라즈마를 처음 만들어냈기 때문이다. 첫 시도에서 플라즈마를 발생시킨 건 세계적으로 유례가 없는 성과다.

순수 국내기술로 제작한 KSTAR는 지난 6월 완공, 플라즈마 발생에 성공했다. 그 같은 실험에 성공했다는 건 우리나라도 ‘핵융합에너지선진국’ 대열에 들어섰다는 선언적 의미를 갖는다. 플라즈마란 물질의 4번째 상태로 불리며 원자핵과 전자들이 나눠져 있어 기체보다 훨씬 자유로운 상태에서 핵융합반응을 일으킨다.

태양은 높은 온도와 강력한 중력으로 99% 이상이 플라즈마다. 핵융합에너지는 태양이 엄청난 에너지를 만들어내는 것과 같은 원리로 지상에서 핵융합반응을 일으켜 에너지를 생산하는 것이다. 일종의 ‘인공태양’인 셈이다.

핵융합에너지가 인류의 미래청정에너지로 기대를 모으는 이유는 간단하다. 원료가 무궁무진하고 폐기물도 화석연료나 원자력보다 훨씬 적을 뿐 아니라 폭발 등 위험도 거의 없는 까닭이다. 핵융합은 바닷물에 풍부하게 들어 있는 중수소와 흙에서 쉽게 뽑아낼 수 있는 리튬(삼중수소)을 원료로 한다.

에너지생산량도 화석연료나 원자력에 비할 수 없이 많다. 1ｇ의 중수소와 삼중수소 혼합연료로 시간당 10만㎾의 전력을 만들 수 있다. 또 바닷물 1ℓ에 들어있는 0.03ｇ의 중수소로 휘발유 300ℓ에 맞먹는 에너지도 생산할 수 있다.

핵융합에너지를 얻기 위한 핵심기술은 1억℃ 이상으로 가열된 초고온플라즈마 상태를 만들어내고 유지해야 한다. 그런 플라즈마를 안전하게 가둬놓을 수 있는 장치도 있어야 한다. 이 기술은 세계 최대 규모의 초전도자석을 사용한 핵융합장치로 경쟁국들보다 독보적 위치에 있다고 연구소관계자는 설명했다.

종래 핵융합 연구장치들은 구리를 전자석의 재료로 써 대전류를 흘릴 경우 엄청난 열에 의해 오랜 시간 운전에 어려움이 따랐다.

이에 따라 연구소는 2012년까지 ▲온도 5천만℃ ▲플라스마 전류 1메가암페어(MA) ▲지속시간 20초 이상으로 끌어올려 중수소 핵융합실험에 들어갈 예정이다.

KSTAR의 최종목표는 2016년까지 3억℃의 초고온 플라스마를 300초 이상 유지해 핵융합에너지 상용화에 필요한 자료를 얻는 것이다.

플라즈마 발생실험엔 성공했지만 연구소가 풀어야할 숙제들도 적잖다. 플리즈마 제어기술 등이 그것이다. 새로 만든 실험장치를 시험로에 연결할 때 우수한 제어프로그램을 필요로 함에도 아직은 크게 뒤쳐져 있다는 게 전문가들의 지적이다. 플라즈마를 자율제어하기 위해선 100만분의 1초 단위로 동작시간을 조정해야 하나 제어기술면에서 유럽, 일본 등 선진국들보다 5~6년쯤 뒤처졌다는 것이다.

2017년까지 KSTAR의 300초 운전달성이 목표다. 이론상 핵융합과정에서 생길 수 있는 불안정한 요소를 300초 안에 확인할 수 있어 그런 목표를 세운 것이다.

핵융합연구와 더불어 연구소 핵심사업은 핵융합반응을 통해 대용량의 전기 생산가능성을 공학적으로 실증키 위한 국제핵융합실험로 공동개발이다.

우리나라와 EU(유럽연합), 미국, 일본, 러시아, 중국, 인도 등 7개국이 참여하는 이 사업은 2040년께 상용화될 핵융합발전소건설 원천기술 확보에 필요한 국가적 핵심과제다.

핵융합연구와 ITER프로젝트가 장기적 사업이라면 그 파생기술에 해당하는 플라즈마 응용기술은 업체에서 당장 쓰이는 분야다. 핵융합연구소는 산업체에서 널리 쓰이는 응용플라즈마의 원천기술을 개발, 신산업창출에 한몫하고 있다.

플라즈마응용기술은 반도체부터 항공우주산업분야까지 응용분야가 넓고 플라즈마 발생에 따른 폐기물이 거의 없어 수소에너지, 태양전지, 고도 정수시설 등 환경분야의 중추기술로 꼽힌다.

연구소는 중성입자빔을 이용한 실리콘박막의 저온증착기술, 절연체 박막형성기술개발 등에 나설 예정이다. 중성입자빔을 이용한 반도체제조공정은 60나노 이하의 나노공정에 유리하며 상온공정이 가능해 유리, 플라스틱 등 다양한 기판을 고를 수 있는 장점이 있다.

대기압 플라즈마 응용기술분야도 TFT-LCD용 장비개발사업화를 추진키 위해 국내대학 및 대기업과 협력방안을 찾을 계획이다. 대기압 플라즈마 공정장비는 고가의 진공장비가 필요하지 않아 초기투자비용 절감과 단위시간당 생산량 증가효과가 있다. 또 군산시, 군산대와의 공동연구로 고효율 브라운가스(수소+산소 혼합가스) 발생장치 개발도 이어지고 있다.

지난 9월 취임한 이경수 핵융합연구소장은 “연구소가 KSTAR장치 운영을 통한 핵융합기술개발 연구, ITER와의 국제협력을 통한 기술개발 등 시스템 및 인프라구축 단계를 넘어 본격 연구개발체제로 재탄생하고 있다”고 말했다. 그는 “이를 통해 국내 핵융합연구개발의 중심기관으로 자리매김하면서 우리가 부러워해오던 해외핵융합선진국들과 어깨를 나란히 하는 연구기관의 모습을 보여주겠다”고 다짐했다.


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