친환경 에너지 발전 – 인공태양 핵융합 발전 장단점 우리나라 현황 해외 현황
핵융합 발전은 지구가 직면하고 있는 이상기후 문제와 에너지 수요를 동시에 해결할 수 있는 차세대 에너지 발전 방식으로 주목받고 있습니다. 이번 글에서는 친환경 에너지 발전인 핵융합 발전의 원리, 핵융합 발전 장단점과 우리나라 현황, 그리고 해외 사례에 대해서 살펴보겠습니다.
Contents
핵융합 발전 원리
핵융합 발전은 태양과 별에서 일어나는 에너지 생성 과정을 모방하여 ‘인공태양’ 기술로 불리기도 합니다. 핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 고온, 고압에서 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하면서 엄청난 에너지를 방출하는 과정으로, 태양이 빛과 열을 만들어내는 원리와 동일한 방식입니다. 핵융합 반응을 일으키는 데 가장 흔하게 사용되는 연료는 중수소(Deuterium)와 삼중수소(Tritium)이며, 이 두 원소가 결합하면 헬륨과 함께 막대한 양의 에너지가 생성됩니다.
핵융합 발전 장점
청정 에너지
핵융합 발전의 가장 큰 장점을 꼽으라면 청정 에너지라는 점을 들 수 있겠습니다. 핵융합 발전은 탄소 중립을 실천하는 에너지 발전 방식 중 하나입니다. 화석 연료를 사용하는 발전 방식과 비교했을 때 이산화탄소나 기타 온실가스를 배출하지 않기 때문에 지구 온난화 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.
안정적인 원료 수급과 에너지 자립
핵융합의 연료로 사용되는 중수소와 삼중수소는 지구상에서 쉽게 구할 수 있는 원소입니다. 중수소는 바닷물에서 구할 수 있으며, 삼중수소는 리튬을 통해 생산할 수 있습니다. 따라서 원료 고갈을 우려할 필요성이 적습니다.
또한 특정 지역에서만 원료를 구할 수 있는 것이 아니고 전세계 어디서나 구할 수 있기 때문에 에너지 자립에 도움이 됩니다. 우크라이나 전쟁 이후 러시아의 에너지 무기화로 인해 에너지 안보가 세계 각국의 주요 과제 중 하나로 떠오른 분위기입니다. 핵융합 기술이 상용화되면 에너지 발전 원료나, 에너지 자체를 수입에 의존하는 국가들이 에너지 자립을 이룩할 수 있을 것입니다.
효율성과 안정성
핵융합 반응은 매우 높은 밀도의 에너지를 생성해냅니다. 소량의 연료로도 막대한 에너지를 생성할 수 있어 동일한 에너지 양을 얻기 위해 필요한 연료의 양이 적습니다. 이론상 약 1g의 수소로 석유 약 8톤 정도의 에너지를 생산할 수 있습니다.
핵융합 발전에 대해 사람들은 폭발 사고나 방사능에 대해서 우려하곤 합니다. 하지만 핵융합 발전은 핵분열 발전과 달리 핵폭발 사고 발생 위험이 없습니다. 핵분열은 불안정한 상태의 핵을 이용하여 핵물질의 연쇄 반응을 이용하는 반면, 핵융합은 안정적인 상태의 원자핵을 합쳐서 에너지를 얻습니다. 따라서 까다로운 조건을 맞추지 않으면 융합이 발생되지 않으므로 핵융합 발전에 실패해도 폭발 사고가 발생하지 않습니다. 단지 수소 플라즈마가 식어서 핵반응이 중단될 뿐입니다. 또한 필요시에만 극소량의 수소를 융합로에 투입하여 연료를 보충합니다. 그래서 반응로 안에서 핵반응 제어에 실패해도 폭발이 일어날 만큼의 연료가 존재하지 않는 것입니다.
방사능 폐기물 문제도 없습니다. 핵분열 발전은 방사성 폐기물이 발생하여 처리가 쉽지 않고, 원자로나 부품들을 관리, 폐기하는 것에도 많은 비용이 들어가게 됩니다. 하지만 핵융합 발전은 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않고 중저준위 방사성 폐기물의 발생량도 적습니다. 핵융합 발전의 반응 생성물은 헬륨이기 때문입니다
핵융합 발전 단점과 도전 과제
핵융합 발전 기술은 여전히 연구 개발 단계에 있으며 상용화까지는 많은 시간이 남은 것으로 보입니다. 핵융합 반응을 유지하려면 수백만 도의 초고온 상태를 만들어야 하는데, 이를 지속적으로 유지하는 기술은 아직 완전히 개발되지 않았습니다.
뿐만 아니라 현재의 핵융합 실험에서는 자기장으로 플라즈마를 가두기 위해 사용하는 에너지가 생산되는 에너지보다 많은 상황이라, 순에너지를 얻기 위해서는 에너지 효율을 개선해야 합니다. 2040년 혹은 2050년이 되어야 유의미한 에너지 발전 방식으로서 이용할 수 있을 것이라고 보는 의견도 있습니다.
또한 핵융합 발전소를 건설하고 운영하는 데 드는 초기 비용 문제도 있습니다.
한국 핵융합 발전 현황
핵융합 발전을 위해서는 1억 도의 초고온 플라즈마 상태를 최대한 오래 유지하는 것이 핵심인데 최근 대전 한국핵융합에너지연구원 내 초전도핵융합연구장치(KSTAR)에서 48초의 세계 최장 기록을 세웠습니다. 이는 향후 핵융합 발전 상용화에 중요한 데이터로 활용될 수 있습니다.
또한 핵융합 발전의 핵심 기술 중 하나인 ‘초전도 자석’ 개발 연구 시설도 한국에너지공과대학교(KENTECH)에 구축되고 있습니다. 이 시설은 핵융합 발전에 필요한 핵심 부품인 초전도 도체를 개발하고 검증하며 2028년에 가동하는 것이 목표입니다. 켄텍이 세계 최대 16T급 고자장 시험 설비를 구축하면 핵융합 실증로용 초전도 자석 설계 및 제작을 위한 자체 기반 기술을 확보할 수 있습니다. 현존 세계 최고 성능의 초전도 도체 시험평가 시설은 스위스 술탄(SULTAN)으로, 최대 자기장의 세기는 11.8T입니다.
해외 현황
우리나라 국내뿐 아니라 전 세계 여러 나라와 기관들에서도 핵융합 발전을 연구하고 있습니다. 프랑스 남부 카다라쉬에 건설 예정인 ITER(국제핵융합실험로) 사업에는 대한민국, 미국, 러시아 등이 참여하고 있으며 2035년 경 본격적인 핵융합 반응 실험이 진행될 것으로 예상됩니다. 또 미국 캘리포니아에 위치한 NIF(국립점화시설)에서는 토카막(자기밀폐) 방식과 레이저 핵융합(관성밀폐) 방식의 기술을 연구하고 있습니다.
핵융합 발전은 아직 상용화되지 않았지만, 인류가 현실적으로 구현 가능한 가장 이상적인 방식이며 ‘꿈의 에너지’라고까지 평가 될 만큼 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 따라서 전력 수요가 폭증하고 있는 가운데 이상 기후 문제 개선과 에너지 자립을 위해 핵융합 발전 기술 연구에 정부차원의 적극적인 투자가 필요할 것 같습니다.
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이 글은 투자 권유 목적으로 작성된 글이 아닙니다. 투자는 항상 신중하게 하시길 바랍니다. 감사합니다.