10만명에 필요한 전기공급...500MW 에너지 생산 목표
차세대 에너지원으로 꼽히며 인공태양으로도 불리는 핵융합로가 10년내 상용화될 것으로 전망되고 있다. .
데일리메일은 18일(현지시간) 10년 내 상용화해 무한 에너지를 제공해 줄 것으로 보이는 美 매사추세츠공대(MIT)의 소형 `ARC` 핵융합로를 소개했다.
핵융합로는 태양에서 나타나는 초고온상태의 수소 핵 간 융합을 인공적으로 발생시켜 높은 에너지를 얻도록 한 장치다. 태양이 연소하는 것과 같은 원리를 사용하고 있다고 해서 인공태양으로 불린다. 영화 아이언맨에서는 주인공 토니 스타크가 초소형 핵융합로를 가슴에 사용하고 있는 것으로 설정돼 있다.
MIT의 이 원자로가 완성되면 고갈되지 않는 무한 에너지를 제공할 수 있는 길이 열리면서 전세계 에너지 위기를 해결해 주게 될 것으로 보인다.
ARC로 명명된 MIT의 핵융합로는 속이 빈 도넛모양으로 된 기존의 토카막(TOKAMAK) 시스템으로 만들어진다.
하지만 지금까지 토카막의 자기장을 만들어 줄 자기코일은 핵융합에너지 생성과정에서 커다란 병목현상을 만들어 내는 것으로 드러났다. 반면 ARC융합로는 상용화가 가능한 희토류 바륨구리산화물(REBCO) 초전도체 테이프를 사용한다는 점에서 기존 토카막시스템과 차별된다.
이를 이용한 MIT의 ARC융합로는 기존에 비해 작지만 더 강력한 자기장을 발생시키면서 더 효율적으로 플라즈마를 만들어낸다.
코일에 의해 발생하는 자기장이 더 강해질수록 이들은 엄청나게 뜨거운 플라즈마를 더 잘 막을 수 있게 된다. 이는 핵융합로를 더 작게, 가볍게, 빠르게, 값싸게 만들 수 있도록 해 준다.
■MIT의 보다 효율적인 인공태양 융합로 원리는?
토카막은 핵융합용 플라즈마를 담아 에너지를 발생시키는 장치로서 ‘자기장 코일을 도넛형 원통에 감은 (토로이드) 챔버’란 의미를 갖는다. 1956년 모스크바 쿠르차코프연구소에서 처음 시도했다.
핵융합을 발생시키기 위해서는 토카막에 2종류의 수소 동위원소인 듀테륨(중수소,D=2H)과 트리튬(3중수소,T=3H)을 넣고 초고온 초고압을 가한다. 내부온도가 섭씨 1억5천만도를 넘어서면서 수소 핵이 전자와 분리돼 뜨거운 이온 플라즈마를 형성하게 된다.
이 때 토카막을 둘러싸고 있는 초전도체에서 발생하는 강력한 자기장은 내부의 초고온 플라즈마를 토카막 안쪽 벽으로부터 떼어놓는 동시에 에너지를 잃지 않게 해 준다.
이들 자기장은 이 거대한 용기를 둘러싸고 있는 초전도코일 및 플라즈마의 전류로부터 만들어진다.
토카막에 사용되는 초전도 자석에는 액체 헬륨을 흘려 섭씨 영하 268.5℃로 냉각시켜 주게 된다.
MIT의 ARC는 기본적인 핵융합로 연구는 물론 엄청난 전력을 생산할 수 있는 시제품 플랜트용으로 설계됐다.
현재까지 도달한 핵융합 발전력은 자기장의 4제곱에 따라 증가하는 수준인 것으로 알려졌다. 이에 따라 발전되는 융합로의 자기장을 2배로 늘릴 때 융합로 에너지는 16배나 증가한다.
MIT가 사용한 새로운 초전도체는 융합로의 자기장 강도를 반드시 배로 만들어 내지는 않지만 표준 초전도기술의 10배에 해당하는 융합력을 만들어 낼 정도로 강력하다.
이 극적인 기술 향상은 핵융합로 설계에 있어서 엄청난 기술적 향상을 이끌어낼 것으로 보인다. 이 프로젝트에 참여중인 브랜든 소르본 MIT생은 “어떤 자기장의 증가도 엄청난 승리를 가져다 줄 것이다”라고 말했다.
토카막 속의 플라즈마는 에너지 생산을 위해 융합을 일으킬 만큼 충분히 긴 시간 동안 챔버 안에 들어 있어야 한다.
■범국가 협력 핵융합로 건설프로젝트 ITER의 효율 넘어서나
세계에서 가장 강력한 핵융합로 건설계획은 국제원자력(IAEA)의 지원하에 이뤄지는 400억달러(44조원)짜리 국제열핵융합실험로(ITER)프로젝트다.
현재 한국,미국,일본,중국,인도,유럽연합(EU) 등 전세계 7개국이 2040년대 상용화를 목표로 공동 참여중이다. 프랑스 남부 카다라슈에 건설중인 ITER 토카막은 지름 30미터,높이 30미터로 설계됐으며 사용되는 골조 중량은 에펠탑 3개에 해당하는 2만5천톤급이다.
MIT의 ARC융합로는 큰 반지름 3.3미터 작은 반지름 1.1미터이며 ITER에서 목표로 하는 발전량의 절반인 500메가와트(MW)의 에너지 생산을 목표로 한다.
MIT연구팀은 새로운 설계방식의 융합로는 ITER에 비해 훨씬더 적은 비용으로도 똑같은 성능을 낼 수 있을 것으로 예상하고 있다. ARC융합로는 크기와 자기장 강도의 차이에도 불구하고 ITER에 적용된 것과 똑같은 물리학에 기반을 두고 설계됐다.
브랜든 소르본 MIT생은 “현재 디자인한 대로라면 이 융합로는 토카막을 유지하기 위해 필요한 전기의 3배에 달하는 전력을 생산할 수 있을 것으로 보인다. 하지만 아마도 5~6배 정도로 그 성능이 향상될 것”이라고 말했다.
MIT연구팀은 “지금까지는 어떤 융합로도 자신이 소비하는 전력을 생산한 적이 없다. 따라서 이 같은 순수에너지 생산은 융합기술에서 엄청난 혁신적 도약이 될 전망이다”라고 말했다.
이들은 이 융합로가 약 10만명에 해당하는 사람들에게 필요한 전력을 생산해 공급하게 될 것이라고 말하고 있다. 연구진은 이와 유사한 복잡성과 크기를 가진 기기가 5년내 만들어질 것이라고 주장했다.
이 연구에 참여하지 않은 데이비드 킹햄 토카막에너지 최고경영자(CEO)는 “핵융합에너지는 22세기에 지구상에서 가장 중요한 에너지가 될 것이다. 하지만 우리는 재난수준의 지구온난화를 막기 위해 이를 좀더 앞당겨야 한다“고 말했다. 그는 “MIT의 성과는 핵융합에너지를 더 빠르게 만들 수 있는 진보를 보여준다”고 덧붙였다.
■인공태양, 배기가스나 방사능 없고 화석연료보다 싸다
핵융합 발전은 온실효과를 일으키는 이산화탄소 배출을 하지않고 자연수준의 방사능밖에 내놓지 않으며 연료인 중수소는 보통 바닷물 속에 거의 무한하게 존재한다는 장점이 있다.
하지만 과학자들은 핵융합으로 만들어내는 전력을 보다 유용하고 값싸게 만들기 위해 한걸음 더 나아갔다.
엔지니어들은 거대한 전기발전소의 크기로 핵융합로 컨셉을 설계했는데 건설비용은 비슷한 전기를 만드는 새로운 석탄연료발전소 건설비용이 들 것으로 추산됐다.
핵융합은 태양과 다른 별들이 빛을 내는 과정이기도 하다.
수소의 핵을 결합시키는 핵융합 과정은 원자의 핵을 분열시키는 원자로,원자폭탄 핵분열 원리와 정반대다.
융합로에서 발생하는 열은 통상적인 발전기처럼 터빈을 돌리고 전기를 일으키는 데 사용된 냉각제를 가열시키게 된다.
우리나라는 지난 2008년 독자개발한 핵융합로 초전도핵융합에너지연구장치‘KSTAR’를 가동해 플라즈마를 발생시키는데 성공하면서 세계 최고 성능의 핵융합로 보유국이 됐다. KSTAR의 직경과 높이는 각각 10m다.
MIT ARC 핵융합로 관련 동영상은 유튜브(https://www.youtube.com/watch?v=O3ECJSEeW_A)에서 볼 수 있다.
전자신문인터넷 이재구국제과학전문기자 jklee@etnews.com
