[WIKI 인사이드] '인공태양'은 어떻게 저렴하고 청정한 에너지를 제공할까
[WIKI 인사이드] '인공태양'은 어떻게 저렴하고 청정한 에너지를 제공할까
  • 고수진 기자
  • 기사승인 2019.06.16 10:50
  • 댓글 0
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태양은 거대한 핵융합원자로다. 우리가 태양이 지구에 에너지를 생산하는 과정을 흉내낼 수 있을까? [BBC]
거대한 핵융합원자로로 불리는 태양. [BBC]

태양은 거대한 핵융합원자로다. 우리가 태양이 지구에 에너지를 생산하는 과정을 흉내낼 수 있을까?

BBC뉴스는 15일(현지시간) 전문 벤처기업들을 취재한 결과 앞으로 5년 후면 '인공태양'으로부터 에너지를 거의 무제한으로 공급받아 동력원으로 이용할 수 있게 될 것이라고 보도했다.

인공태양은 풍부하고 저렴하고 청정한 에너지를 제공하는 핵융합 원자로이다. 화석 연료에 대한 중독이 초래한 지구 온난화의 세계에서 지속 가능한 대체 에너지원을 찾는 일은 무척 시급한 상황이다.

대체 에너지원을 찾지 못할 경우, 지구상 수백만 명의 사람들에게 미래는 확실히 암울할 수 밖에 없다. 물과 식량 부족으로 가뭄과 전쟁이 확대될 것이라는 분석이다. 

핵융합은 오랫동안 이러한 문제에 대한 해법으로  여겨졌지만, 업계에서는 항상 '30년쯤 후에나 가능한 얘기'라고 평가했었다. 

그러나 최근 몇몇 벤처기업들은 훨씬 일찍 핵융합을 상업적으로 현실화할 수 있다고 주장하고 있다.

▶핵 융합은 정확하게 무엇인가?

핵 융합은 원자 핵의 융합으로 어마어마한 에너지를 방출하는 것이며, 에너지 위기를 해결할 잠재력이 있다.

이는 태양에 동력을 공급하는 과정과 동일하며, 청정하고, - 비교적 - 안전한 에너지이다. 배기가스를 배출하지도 않는다.

그러나 어미어마한 압력을 가해서 이 두 개의 핵 - 듀테륨과 트리튬 (둘 다 수소 형태)-을 융합하는 데에는 막대한 양의 에너지가 필요한데  - 우리가 얻고자 하는 양 그 이상이다. 

핵융합 과정
핵융합 과정

핵 융합은 막대한 양의 에너지를 생산하지만 구현과 제어가 어렵다.

우리가 투입한 에너지보다 더 많은 에너지를 획득하는 지점인 "에너지 게인(energy gain)" 지점에 도달하기가 감질나게도 힘들었다.

하지마 이젠 다르다고 융합 스타트업들은 말한다.

제너럴퓨전 대표이사 크리스토퍼 모리는 "이는 '융합의 스페이스X 순간'이다."라고 전한다. 제너럴퓨전은 캐나다의 벤처기업으로 향후 5년 내에 융합을 상용화수준까지 보여주는 비전을 가지고 있다"고 말했다. 

"핵융합의 학문적 성숙도가 21세기 유력한 기술인 한 적층 제조, 고온 초전도체의 출현과 결합되는 순간이다."

그는 "융합은 더 이상 '30년 후'의 일이 아니다"고 주장한다.

옥스퍼드대 케블 컬리지의 물리학과 명예교수 웨이드 알리슨 교수는 그 생각을 뒷받침할 과학은 이미 입증되었다고 단언한다. 그 도전은 더 실용적이다.

알리슨 교수는 "기간을 확신할 수 없지만 근간이 되는 과학은 해결되었고, 문제는 소재 관련 기술적인 부분이다"고 전한다.

▶그것은 왜 어려운 것일까?

주요 관건은 그 어마어마한 압력 규격 하에 융합 반응이 발생하는 고온의 핵 수프인 플라즈마를 포함할 만큼 구조를 어떤 식으로 견고하게 설계하는가 이다.

영국원자력에너지기구(UKAEA:UK Atomic Energy Authority) 회장 이안 챕맨 교수는 "우주선이 궤도에 재진입할 때와 유사한 수준의 고온과 에너지를 견뎌내는 배기시스템을 갖추어야 할 것이다."라고 말한다.

연료의 증식, 재생 및 저장 시스템은 물론이고 로봇 관리 시스템 또한 필요할 것이다.

챕맨 교수는 "영국원자력에너지기구가 이 문제들을 모두 검토하고 있으며, 옥스퍼드대 인근 컬햄과학센터(at Culham Science Centre)에 새 연구시설을 건설 중이며, 업계와 솔루션을 공동개발할 계획이다"고 전한다.

▶그래서 어떤 점이 변화했을까? 

일부 민간 에너지기업들은 신소재와 기술을 이용해 이 실질적 문제들을 더 빠르게 극복하고 있다고 생각한다.
옥스퍼드셔에 위치한 토카막 에너지(Tokamak Energy)사는 매우 강한 자기장에 플라즈마를 포함해 고온의 초전도체(HTS)를 이용한 구 모양의 토카막이나 원자로를 개발하려고 한다.

물리학의 이 분야 학문의 문맥에서 "고온"은 분명 매우 한랭한 영하 70도나 그 이하를 의미한다.

그 회사의 대표이사 조너선 컬링은 "그들은 현재까지 독보적으로 가장 성공적인 그룹"이라고 말한다.

그는 "구 모양의 토카막은 훨씬 효율적인 지형으로 우리는 극적으로 소형과 효율성을 개선할 수 있다. 그리고 토카막이 더 작아진 까닭에 더 신축성이 좋고 건조원가 또한 더 낮다"고 설명했다.

이 회사는 지금까지 3개의 토카막을 설계했으며, 세 번째 토카막 ST40은 30mm(1.2인치) 스테인레스 스틸로 설계되었으며, HTS 자기장을 사용했다. 지난 6월에 태양핵보다 더 고온인 1,500만 도 플라스마 온도를 달성했다.  

이 회사는 내년 여름까지 1억 도에 도달하기를 바라고 있는데 - 이는 중국 과학자들이 이번 달에 달성할 수 있다고 주장하는 위업이다.

카링은 "우리는 2022년까지 에너지 게인 능력을 보유할 것으로 예상하며 2030년까지 전력망에 전력을 공급할 수 있을 전망"이라고 말한다.

한편 미국에서는 메사추세츠 공과대학(MIT)은 신설 커먼웰스퓨전시스템즈(CFS: Commonwealth Fusion Systems)와 공조해 고온 플라즈마를 자기장에 장착한 도넛 모양 토카막 스파크(Sparc)를 개발하고 있다.

그 팀은 빌 게이츠, 제프 베조스 아마존 최고경영자, 마이클 블룸버그 외 다른 억만장자들이 설립한 에너지 분야 펀드인 브레이크쓰루 에너지 벤처스(Breakthrough Energy Ventures)가 부분적으로 지원을 받아 공장 내 장착 가능하고, 현장 조립을 위해 선적 가능한 소형 융합 원자로를 개발하려고 한다. 

이 민간 벤처기업은 35개 국가가 관여하는 flagship 국제 융합 프로젝트 국제핵융합실험로(Iter:International Thermonuclear Experimental Reactor)에 도전장을 내밀었다.
Iter 핵융합원자로는 2025년도에야 완공될 예정이다. 

Iter 핵융합원자로는 2025년에야 완공될 예정이다.
Iter 핵융합원자로. 2025년 완공될 예정이다.

라틴어로 '길'을 뜻하기도 하는 Iter는 세계 최대의 실험적인 융합 시설을 건조 중이지만 2025년에야 가동할 수 있을 것으로 예상되며, 그 이후로도 상용화는 요원할 것이다.

대변인은 BBC와의 인터뷰에서 "Iter 회원국들은 융합을 청정 에너지 미래의 일환으로 이용하는 데에 있어 각자 긴급한 정도가 다르다"고 밝혔다.

"일부 국가들은 명백히 2050년 이전에 융합 전력을 전력망에 공급할 예정인 반면, 다른 국가들은 21세기 후반에나 로드맵이 가능할 것으로 예상된다."

후발국들은 자신들이 더 좋은 업적을 낼 수 있다고 여긴다.

MIT 플라즈마 사이언스 앤드 퓨전 센터(plasma science and fusion centre) 부국장 마틴 그린월드는 "새로운 HTS 마그네트 기술과 함께 순 에너지 융합 장비는 훨씬 더 규모가 작을 수 있다 - 스파크는 Iter 원자로의 부피나 질량의 약 1/64일 것"이라고 말한다.

그린월드는 규모가 작으면 원가가 낮아지는 걸 의미하므로 융합 분야는 "더 규모가 작고 더 신속한 기관들에게 열려있다"고 전했다.

그러나 관계자들은 모두 Iter, 컬햄, 민간 부문의 연구가 상호보완적이라는 것에 동의하고 있다. 

Iter 대변인은 "궁극적으로 우리 모두는 청정 에너지 미래의 핵심분야로 융합 구동하는 전력이라는 같은 꿈을 공유한다"고 밝혔다.

 

 

6677sky@naver.com


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