칼럼
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한국이 핵융합기술 먼저 독점하라
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권우상
명리학자. 역사소설가
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기초과학지원연구소(KBSI)에 따르면 지난 40년간 세계 인구는 30억에서 60억으로 두배로 증가했고 2100년에는 100억에서 120억 정도로 증가할 것이며 그 중에서도 대부분의 증가는 개발도상국에서 이루어 질 것이라고 한다. 이에 따라 전 세계 개발도상국에서 증가하고 있는 에너지 수요는 선진산업국가의 에너지 절약을 훨씬 초과할 것이며 여러가지 예측 가능한 시나리오에서는 다음 세기 동안의 에너지 수요를 현재 에너지 수요의 최소 2배에서 3배로 추정하고 있다. 인구의 증가는 곧바로 에너지 부족으로 이어져 인간의 생존을 걱정해야 한다면 지금부터라도 에너지를 충족하는 빙안을 고민해야 할 것이다. 에너지 수요를 충족할 수 있는 에너지원은 석탄, 천연가스, 원유와 같은 화석연료와 태양에너지와 다른 재생 가능한 에너지, 원자력에너지, 그리고 장기적으로는 핵융합에너지가 있다.
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전 세계적으로 화석연료 자원은 유한하고 화석연료의 사용은 지구환경에 심각한 위협의 대상이 되고 있다. 비록 태양에너지 같은 재생 가능한 에너지들이 미래 에너지로서의 활용도는 높지만 이들 에너지 사용에 부과되는 제약 조건들은 이들 에너지원의 광범위한 사용을 어렵게 하고 있다. 핵분열 반응에 의해서 발생하는 에너지(원자력)에 의한 에너지 수요의 상당부분은 충당되지만 원자력 에너지 사용여부에 대한 장기적인 예측은 어렵다는 것이 KBSI측의 설명이다.
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그동안 선진국에서는 핵융합에 의한 에너지 공급 방안을 연구해 왔고 핵융합은 수 천년 동안 에너지를 공급할 수 있다고 판단했다. 바닷물에서 채취 가능하여 주원료는 풍부하며 쉽게 구할 수 있기에 핵융합은 무엇보다도 전력 발전원으로 적절하며 핵융합은 근본적으로 안전성과 환경친화성을 동시에 가지고 있다. 특히 온실 가스를 배출하지 않는다.
핵융합이란 태양과 같은 별들에서 에너지를 발생시켜 핵반응을 일으키는 기술이다. 물질을 구성하고 있는 가벼운 원자들이 집합하여 무거운 원자가 된다. 즉 온도가 1000만도에서 1500만도인 태양 중심에서 수소가 헬륨으로 융합(fuse)된다. 이 핵융합 반응(fusion)은 지구상에서 생명을 유지하도록 하는 에너지원인 태양 빛을 제공한다. 태양 내부에서 ‘핵융합 연료’는 태양의 광대한 중력에 의하여 가열되고 밀폐(confine)된다. 지구상에서는 핵융합 에너지 방출을 위해 태양의 중력 밀폐 방식이 아닌 다른 밀폐 방법이 필요하기 때문에 여기에 대한 연구가 이뤄져야 하는데 태양 온도의 약 10배 정도인 1억도가 넘는 온도가 요구된다.
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플라즈마 물리학은 핵융합 연구의 기초다. 플라즈마 물리학은 별의 에너지원을 이해하기 위한 노력으로 1920년대에 시작했다. 원리는 이렇다. 기체를 고온(高溫)으로 가열하면 원자핵으로부터 전자가 완전히 분리되는 이온화 현상이 일어난다. 이러한 가스를(우수한 전기도체) 물질의 네 번째 상태인 ‘플라즈마’라고 한다. 우주의 99% 이상이 ‘플라즈마’ 상태로 존재한다. 핵융합 반응이 태양과 별들의 에너지원일 것이라는 AlKinson과 Houtermans의 이론에서부터 시작하여 플라즈마 물리학은 과학자들로부터 지대한 관심을 보였다.
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지구상에서 가장 쉬운 핵융합반응은 두 종류의 수소 이온들 사이에서 이뤄지는데 가장 쉽게 일어날 수 있는 핵융합 반응은 두 개의 수소동위원소, 중수소(D)와 삼중수소(T)의 핵융합 반응이다. 핵융합 반응의 결과물은 알파 입자인 헬륨원자의 핵과 중성자로 17.6Mev의 운동에너지를 갖는다. D-T 연료 1g으로 시간당 100,000KW의 전기를 생산하며 이는 석탄 8톤과 맞먹는 양이다. 중수소는 바닷물에서 추출할 수 있는데 바닷물 1 입방미터 당 약 30g의 중수소가 들어있다.
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지구상에 존재하는 방사능동위원소인 삼중수소(중성자가 2개 더 붙는 수소)의 양은 아주 미미하지만 지구 표면에 풍부하게 널려 있는 경금속인 리튬으로부터 생산할 수 있다. 핵융합은 온도와 열차단(thermal insultion)에 대한 엄격한 조건들을 요구하는데 핵융합 반응은 같은 전하(+)를 가진 이온들 사이의 전기적 발생력을 이온들이 높은 온도에서 얻어지는 운동에너지로 극복하고 융합될 때 일어난다. 이러한 D-T 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 1억도의 온도가 필요하다. 이는 D-T가스가 완전히 이온화되어 플라즈마 상태로 변하는 온도는 훨씬 높은데 이같은 온도를 유지하기 위해서는 강력한 플라즈마 가열과정이 필수이며 뜨거운 플라즈마를 핵융합 벽으로부터 단열시켜 열 손실을 최소화 한다. 이는 물리적, 기술적으로 매우 어려운 문제들이라 플라즈마의 복잡한 물리적인 기술이 연구돼야 한다. 한국이 첨단기술의 개발을 통해 전 세계에서 핵융합에너지 기술을 먼저 독점한다면 국제적 위상은 더욱 높아질 것이다.
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