태양이 만드는 에너지를 지구에서도 만들 수 있을까? 

매일 아침 떠오르는 태양은 약 46억 년 동안 쉬지 않고 에너지를 만들고 있습니다. 인류가 지금까지 사용한 모든 에너지를 합쳐도 비교할 수 없을 만큼 엄청난 에너지를 끊임없이 방출하고 있죠.

그렇다면 문득 이런 생각이 듭니다. '태양이 에너지를 만드는 핵융합의 원리를 지구에서도 구현할 수 있다면 어떨까?'

만약 가능하다면 화석연료가 고갈될 걱정도, 이산화탄소 배출로 인한 기후 위기도 크게 줄일 수 있을 것입니다. 주요 연료 중 하나인 중수소는 바닷물에서 얻을 수 있고, 발전 과정에서 온실가스의 직접 배출이 적으며, 기존 원자력발전에서 발생하는 고준위 사용후핵연료도 남기지 않기 때문입니다.

이처럼 인류가 오랫동안 꿈꿔 온 에너지가 바로 핵융합(Fusion Energy)입니다.

그래서 사람들은 핵융합을 '꿈의 에너지', '인공 태양'이라고 부릅니다. 하지만 태양의 원리를 그대로 따라 하는 일은 결코 쉽지 않습니다. 태양 중심보다도 더 뜨거운 1억 ℃의 초고온 환경을 만들고 유지해야 하기 때문입니다.

그렇다면 과연 인류는 태양을 지구 위에 만들 수 있을까요?

핵융합이란?

우리가 사용하는 대부분의 에너지는 원자와 분자의 화학반응에서 만들어집니다. 석탄을 태우거나 천연가스를 연소시키는 것도 모두 화학반응입니다.

하지만 핵융합은 원자핵 자체가 변하면서 에너지가 발생하는 '핵반응'입니다. 핵융합은 가벼운 원자핵 두 개가 하나의 무거운 원자핵으로 합쳐지는 과정을 말합니다.

대표적인 예가 수소(H)입니다. 태양 내부에서는 수소 원자핵들이 엄청난 압력과 높은 온도 속에서 서로 충돌하며 헬륨(He)으로 변합니다. 이 과정에서 반응 전후 원자핵의 질량에 미세한 차이가 생기며, 그 차이에 해당하는 에너지가 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리(E=mc²)에 따라 방출됩니다.

즉, 핵융합은 원자핵이 결합하는 과정에서 생기는 질량 차이가 에너지로 전환되는 핵반응입니다.

태양이 수십억 년 동안 빛을 낼 수 있는 이유도 바로 이 핵융합 반응 덕분입니다.

그렇다면, 핵분열과는 무엇이 다를까요?

'핵'이라는 단어 때문에 핵융합과 원자력발전을 같은 기술로 생각하는 사람이 많습니다. 하지만 두 기술은 에너지를 얻는 원리가 서로 다릅니다.

핵분열(Fission)은 현재 원자력발전소에서 사용하는 방식입니다. 무거운 원자핵에 중성자를 충돌시키면 원자핵이 둘로 쪼개집니다. 이때 막대한 열이 발생하고, 이 열로 물을 끓여 증기를 만든 뒤 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 즉, 큰 원자핵을 쪼개 에너지를 얻는 방식입니다.

핵융합은 반대로 작은 원자핵들을 서로 합쳐 더 큰 원자핵을 만드는 과정입니다. 즉, 작은 원자핵을 합쳐 에너지를 얻는 방식입니다.

핵분열이 '분해'라면, 핵융합은 '결합'이라고 이해하면 쉽습니다.

같은 핵반응인데 핵융합이 주목받는 이유

핵융합이 차세대 에너지로 주목받는 이유는 크게 네 가지입니다.

첫 번째, 연쇄적인 핵반응의 폭주 가능성이 낮다.

현재 원자력발전은 연쇄 핵분열 반응을 이용하지만, 핵융합은 초고온 플라스마 등 까다로운 조건이 유지되어야만 반응이 지속됩니다. 온도나 밀도 등의 조건이 무너지면 핵융합 반응도 빠르게 약해지거나 멈춥니다. 따라서 핵분열과 같은 연쇄반응의 폭주 가능성은 낮지만, 핵융합 시설 역시 삼중수소와 고에너지 중성자 등을 안전하게 관리하기 위한 기술이 필요합니다.

두 번째, 발전 과정에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않는다.

핵융합은 연료를 태우는 연소 과정이 아니라 핵반응으로 에너지를 얻기 때문에 발전 단계에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않습니다. 다만 시설의 건설과 운영, 연료 생산 등 전체 과정에서는 온실가스가 발생할 수 있어, 핵융합은 전 과정의 탄소 배출을 줄일 가능성이 있는 에너지원으로 연구되고 있습니다.

세 번째, 연료를 바닷물에서 얻을 수 있다.

핵융합 연료인 중수소는 바닷물 속에 풍부하게 존재합니다. 바닷물 약 1리터에는 약 0.03g의 중수소가 들어 있으며, 이를 이용하면 상당한 양의 에너지를 생산할 수 있습니다. 또 다른 연료인 삼중수소는 자연계에는 매우 적지만, 핵융합로 내부에서 리튬과의 반응을 통해 생산하는 기술이 함께 연구되고 있습니다.

네 번째, 고준위 방사성 폐기물을 크게 줄일 수 있다.

핵융합은 핵분열처럼 사용후핵연료를 대량으로 남기지 않습니다. 물론 핵융합 설비의 일부는 중성자의 영향으로 방사성을 띨 수 있어 적절한 관리가 필요하지만, 현재 원자력발전에서 발생하는 고준위 사용후핵연료와는 성격이 다릅니다. 이 때문에 핵융합은 상대적으로 폐기물 부담이 적은 기술로 평가받고 있습니다.

잠깐! 핵융합도 방사선이 전혀 없을까?

"핵융합은 방사능이 없다"는 표현은 엄밀히 말하면 정확하지 않습니다. 핵융합 반응에서는 고에너지 중성자가 발생하기 때문에 방사선은 생깁니다.

다만, 현재의 핵분열처럼 장기간 관리가 필요한 고준위 사용후핵연료가 대량으로 남지 않는 것이 큰 차이입니다.

인공 태양이라고 불리는 이유

우리는 흔히 핵융합을 '인공 태양'이라고 부릅니다. 그렇다면 정말 태양을 만드는 것일까요? 엄밀히 말하면 태양 자체를 만드는 것이 아니라, 태양에서 일어나는 핵융합 반응만 재현하는 것입니다.

태양은 수십억 년 동안 막대한 양의 빛과 열을 내뿜고 있습니다. 그 에너지의 원천은 바로 핵융합 반응입니다. 태양 중심부에서는 수소 원자핵들이 끊임없이 서로 충돌해 헬륨으로 변하고, 이 과정에서 엄청난 에너지가 방출됩니다.

핵융합 연구의 목표도 같습니다. 지구에서도 태양과 같은 핵융합 반응을 안정적으로 일으켜 전기를 생산하는 것입니다. 이러한 이유로 핵융합 장치를 흔히 '인공 태양(Artificial Sun)'이라고 부릅니다.

 

핵융합 반응을 위해선 1억 ℃의 온도가 필요하다

태양 중심부의 온도는 약 1,500만 ℃입니다. 그런데 핵융합 실험에서는 약 1억 ℃ 이상의 초고온이 필요하다고 합니다. 여기서 한 가지 의문이 생깁니다. 태양보다 7배 가까이 더 뜨거운 온도가 필요한 이유는 무엇일까요?

그 답은 압력에 있습니다. 태양은 지름이 약 139만 km, 질량은 지구의 약 33만 배에 이르는 거대한 천체입니다. 이렇게 거대한 질량 때문에 중심부에는 상상하기 어려울 정도의 압력이 작용합니다.

태양 중심부의 압력은 약 2,500억 기압으로 추정됩니다. 이 엄청난 압력은 수소 원자핵들을 매우 가까이 밀어붙여 서로 충돌할 가능성을 크게 높여줍니다. 즉, 온도가 1,500만 ℃ 정도여도 핵융합이 자연스럽게 일어날 수 있는 환경이 만들어지는 것입니다.

 

지구에는 태양 같은 압력이 없다

반면 지구에서는 태양처럼 거대한 중력을 만들 수 없습니다. 수소 원자핵은 모두 양(+)전하를 띠고 있기 때문에 서로 가까워지면 강하게 밀어내는 쿨롱 반발력이 작용합니다. 이 반발력을 극복하려면 원자핵이 매우 빠르게 움직여야 합니다.

원자핵의 속도를 높이는 가장 효과적인 방법이 바로 온도를 높이는 것입니다. 온도가 올라갈수록 입자의 운동 에너지가 커지고, 충돌 빈도와 충돌 에너지가 증가해 핵융합이 일어날 가능성도 높아집니다. 즉, 태양은 엄청난 압력이 있기 때문에 1,500만℃에서도 핵융합이 가능합니다. 하지만 지구에는 그런 압력이 없기 때문에 훨씬 높은 약 1억℃ 이상의 환경이 필요합니다.

 

그렇다면 1억 ℃에서는 물질이 어떤 상태일까요?

우리가 익숙한 물질의 상태는 고체, 액체, 기체입니다. 하지만 온도가 계속 높아지면 기체를 이루는 원자들도 더 이상 원래 형태를 유지하지 못합니다. 전자들이 원자에서 떨어져 나오고, 양전하를 띤 원자핵(이온)과 자유전자가 뒤섞인 상태가 됩니다. 이 상태를 플라스마(Plasma)라고 합니다.

플라스마는 흔히 '물질의 제4의 상태'라고 불립니다. 태양과 번개, 오로라도 모두 플라스마 현상의 대표적인 예입니다. 핵융합 역시 바로 이 플라스마 상태에서 일어납니다.

 

왜 플라스마를 가둬야 할까?

여기서 또 하나의 문제가 생깁니다. 1억 ℃의 플라스마가 용기 벽에 직접 닿으면 플라스마의 온도가 급격히 낮아져 핵융합 반응을 유지하기 어렵고, 반복적인 열과 입자 충돌은 벽면을 손상시킬 수 있습니다. 따라서 플라스마가 용기 벽에 닿는 것을 최대한 줄여야 합니다. 철은 약 1,500 ℃에서 녹고, 텅스텐처럼 녹는점이 높은 금속도 약 3,400 ℃ 정도입니다. 하지만 핵융합 플라스마는 1억 ℃입니다. 어떤 금속도 직접 견딜 수 없습니다.

그래서 과학자들은 아주 독특한 방법을 생각해 냈습니다. 플라스마를 용기에 닿지 않게 공중에 띄우는 것입니다.

플라스마는 전기를 띠고 있기 때문에 강한 자기장을 이용하면 원하는 위치에 가둘 수 있습니다. 이를 자기 밀폐라고 하며, 이 원리를 구현한 대표적인 장치가 바로 토카막입니다.

 

토카막이란?

출처 : https://brain.com.ua/ukr/brain_guide/Priruchene-sonce-Rozpovidaemo-pro-termoyadernu-reakciyu-scho-zminyue-maybutne-lyudstva/

 

토카막(Tokamak)은 자기 밀폐 방식을 가장 성공적으로 구현한 장치입니다.

토카막은 1950년대 소련에서 처음 제안된 핵융합 장치로, 현재 세계 대부분의 핵융합 연구시설이 채택하고 있는 방식입니다. 이름은 러시아어 '토로이달 챔버와 자기 코일(Toroidal Chamber with Magnetic Coils)'의 약자에서 유래했습니다.

토카막의 가장 큰 특징은 도넛 모양의 진공 용기입니다. 이 안에는 공기를 거의 완전히 제거한 진공 상태가 만들어지고, 그 안에서 수소 연료를 플라스마 상태로 만든 뒤 자기장으로 가둡니다.

 

그렇다면 왜 하필 도넛 모양일까요?

도넛 모양은 단순히 만들기 쉬워서 선택된 것이 아닙니다. 만약 플라스마를 직선 관에 가두면 양쪽 끝으로 빠져나가 버립니다. 하지만 도넛처럼 원형으로 연결하면 플라스마가 계속 순환할 수 있어 에너지를 오래 유지할 수 있습니다.

여기에 여러 방향의 자기장을 동시에 걸어주면 플라스마는 도넛 내부를 따라 나선형으로 회전하며 움직입니다. 덕분에 플라스마가 벽면에 닿는 것을 최소화할 수 있습니다.

토카막에서는 매우 강한 자기장이 필요합니다. 하지만 일반 전자석으로 강한 자기장을 오래 만들면 전기 저항 때문에 엄청난 열이 발생하고 많은 전력이 소모됩니다.

이를 해결하기 위해 초전도 자석을 사용합니다.

초전도체는 극저온에서 전기 저항이 거의 0이 되는 물질입니다. 전기 저항이 거의 없기 때문에 매우 큰 전류를 흘려도 에너지 손실이 적고, 오랜 시간 강력한 자기장을 안정적으로 유지할 수 있습니다.

핵융합 발전소에서는 전기를 어떻게 만들까?

핵융합은 전기를 직접 만드는 기술이 아닙니다. 핵융합 반응이 일어나면 약 1억 ℃의 플라스마 속에서 고에너지 중성자가 방출됩니다. 이 중성자는 플라스마를 둘러싼 블랭킷이라는 구조물에 흡수되며 열을 전달합니다. 이 열로 냉각재를 가열하고, 물을 끓여 증기를 만든 뒤 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

즉, 핵융합발전 역시 최종적으로는 '증기로 터빈을 돌리는 방식'이라는 점에서는 기존 화력발전이나 원자력발전과 비슷합니다.

다만 열을 만드는 원리가 연소나 핵분열이 아닌 핵융합이라는 점이 가장 큰 차이입니다. 블랭킷은 단순히 열을 흡수하는 역할만 하는 것이 아닙니다. 핵융합 반응에 필요한 삼중수소는 자연계에 매우 적기 때문에, 블랭킷 내부에 넣은 리튬과 중성자가 반응하도록 설계합니다.

이 과정에서 새로운 삼중수소가 만들어지며, 이를 다시 연료로 사용하는 연료 자급(트리튬 증식) 기술이 연구되고 있습니다. 핵융합 발전소가 장기간 운영되기 위해서는 이 기술이 매우 중요한 요소로 꼽힙니다.

인류가 함께 만드는 '인공 태양'

ITER 국제핵융합실험로

지금까지 우리는 핵융합이 어떻게 일어나는지, 그리고 1억 ℃의 플라스마를 어떻게 가두는지 살펴봤습니다. 하지만 아직 한 가지 궁금증이 남습니다.

"핵융합은 정말 전기를 생산할 수 있는 기술일까?"

아직은 그렇지 않습니다. 현재 세계에는 상업적으로 전기를 생산하는 핵융합발전소는 아직 없습니다. 과학자들은 먼저 핵융합 반응을 안정적으로 유지하고, 발전소에 필요한 핵심기술을 검증하는 단계에 있습니다.

그 중심에 있는 프로젝트가 바로 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)입니다.

국제핵융합실험로(ITER) 건설 현장 Ⓒ한국핵융합에너지연구원

그렇다면 ITER는 무엇을 위한 프로젝트일까요?

ITER는 프랑스 남부 카다라슈(Cadarache)에서 건설 중인 세계 최대 규모의 핵융합 실험로입니다. 여기서 중요한 점은 ITER가 핵융합 발전소가 아니라 실험 시설이라는 것입니다.

TER의 주요 목표 중 하나는 핵융합 반응을 안정적으로 유지하고, 플라스마를 가열하는 데 직접 주입한 에너지보다 더 많은 핵융합 에너지를 얻을 수 있는지 검증하는 것입니다. 다만 ITER는 전기를 생산하는 발전소가 아니라, 핵융합발전에 필요한 과학적·기술적 가능성을 검증하는 실험시설입니다.

 

현재 참여국은 모두 35개국으로 대표적으로 유럽연합(EU), 대한민국, 미국, 일본, 중국, 인도, 러시아가 함께 연구를 진행하고 있습니다. 핵융합 기술은 한 나라가 단독으로 개발하기 어려울 만큼 거대한 규모와 높은 기술력이 필요하기 때문에, 세계 각국이 힘을 모아 공동으로 추진하고 있습니다.

 

ITER의 토카막은 지금까지 만들어진 핵융합 장치 가운데 가장 큰 규모입니다.

주요 규모를 살펴보면 다음과 같습니다.

ITER 규모
토카막 높이( ITER 진공 용기 1개 섹터)	11.3m
토카막 진공용기 섹터 가로폭	6.6m
목표 핵융합출력	500MW
목표 에너지 증폭률	Q≥10
장치 총 무게	약 23,000톤
중심 플라스마 부피	약 830㎥

출처 : 한국핵융합에너지연구원, ITER(https://www.iter.org/facts-figures)

이는 KSTAR보다 훨씬 큰 규모로, 실제 발전소에 가까운 환경에서 핵융합 기술을 검증하기 위한 장치입니다. 큰 장치는 더 많은 플라스마를 가둘 수 있고, 에너지 손실을 줄여 핵융합 반응을 오랫동안 유지하는 데 유리합니다.

 

우리나라는 어떤 역할을 하고 있을까?

대한민국은 ITER 프로젝트의 핵심 참여국 중 하나입니다. 한국핵융합에너지연구원과 국내 산업체들은 ITER 건설에 필요한 다양한 핵심 장치를 제작해 공급하고 있습니다.

Ⓒ과학기술정보통신부

대표적으로 진공 용기 일부 제작, 열차 폐체 제작, 블랭킷 차폐 블록 제작, 전원 공급 장치와 제어 시스템 개발, 초전도 자석 관련 기술 협력 등을 담당하고 있습니다. 이는 우리나라의 정밀 제작 기술과 초전도 기술이 세계적으로 인정받고 있음을 보여주는 사례이기도 합니다.

출처 : https://en.yna.co.kr/view/AEN20200728006300320?utm_source

 

대한민국의 인공 태양, KSTAR

우리나라도 세계적인 핵융합 연구를 진행하고 있습니다. 대전의 한국핵융합에너지연구원에는 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)가 설치되어 있습니다.

KSTAR는 초전도 자석을 사용하는 핵융합 연구장치로, 장시간 안정적으로 플라스마를 유지하는 기술을 연구하기 위해 만들어졌습니다.

핵융합 발전은 단순히 1억 ℃를 만드는 것만으로는 충분하지 않습니다. 얼마나 오래 안정적으로 유지할 수 있는가가 상용화의 핵심 과제입니다.

 

KSTAR가 세운 세계적인 기록

2024년 KSTAR는 1억 ℃ 이상의 이온온도를 48초 동안 유지하며 세계 기록을 달성했습니다. 또한 고성능 플라스마 운전 모드인 H-모드를 102초 동안 유지하는 데 성공했습니다. 이는 초전도 토카막 장치에서 달성한 세계 최고 수준의 성과 중 하나로 평가받았습니다.

물론 핵융합 발전소를 실제로 운영하려면 수 시간, 수일, 나아가 연속 운전이 가능해야 합니다. 아직 발전소 운영에는 짧은 시간이지만, 핵융합 상용화를 향한 매우 중요한 기술적 진전으로 평가됩니다.

한국핵융합에너지연구원은 KSTAR를 활용해 초고온 플라스마의 운전 시간을 늘리고, 안정성과 성능을 높이기 위한 연구를 이어가고 있습니다.

출처 : 한국핵융합에너지연구원(https://www.kfe.re.kr/)

WORLD ECONOMIC FORUM

(https://www.weforum.org/stories/emerging-technologies/nuclear-fusion-record-technology-news-april-2024/)

 

핵융합은 언제 상용화될까?

그렇다면 핵융합은 언제 사용화 될까요? 아직 정확한 시기를 단정하기는 어렵습니다. 핵융합 발전소를 만들기 위해서는 해결해야 할 과제가 남아 있습니다.

- 수 시간 이상 플라스마를 안정적으로 유지하는 기술

- 고에너지 중성자를 견디는 신소재 개발

- 삼중수소 연료의 생산과 회수

- 핵융합 열을 효율적으로 전기로 변환하는 시스템

- 경제성을 확보할 수 있는 발전소 설계

ITER를 통해 핵융합발전에 필요한 과학적·기술적 가능성을 검증한 이후에는, 실제 전력 생산을 목표로 하는 DEMO급 실증 핵융합발전소 개발 단계로 이어질 계획입니다. DEMO는 하나의 국제 공동시설을 가리키는 고유명칭이라기보다, 여러 국가가 각각 추진하고 있는 핵융합 실증발전소의 개념입니다.

 

즉, ITER가 핵융합의 과학적·기술적 가능성을 검증하는 실험시설이라면, DEMO는 실제 전력 생산과 공급 가능성을 확인하는 실증발전소 단계라고 볼 수 있습니다.

 

핵융합이 바꿀 미래

핵융합은 단순히 새로운 발전 기술 하나를 의미하지 않습니다. 만약 상용화에 성공한다면, 인류는 바닷물에서 얻은 연료로 막대한 전기를 생산하고, 탄소 배출을 크게 줄이며, 에너지 안보를 강화할 수 있는 새로운 시대를 맞이할 가능성이 있습니다.

물론 아직 해결해야 할 과제도 많습니다. 하지만 과거에는 불가능해 보였던 달 착륙, 초고속 통신, 인공지능 역시 수많은 연구와 도전 끝에 현실이 되었습니다. 핵융합 역시 지금 이 순간에도 전 세계 연구자들의 협력을 통해 조금씩 현실에 가까워지고 있습니다.

 

우리는 흔히 태양을 '생명의 근원'이라고 말합니다. 그 이유는 단순히 빛과 열을 주기 때문만이 아닙니다. 태양은 수십억 년 동안 핵융합이라는 자연의 원리로 지구에 필요한 에너지를 공급해 왔습니다. 인류는 이제 그 원리를 배우고, 이해하고, 지구에서 다시 구현하려는 도전에 나서고 있습니다.

아직은 연구실과 실험로 안에서 이루어지는 작은 불꽃일지 모르지만, 언젠가 그 불꽃이 도시를 밝히고 산업을 움직이며 우리의 일상을 바꾸는 새로운 에너지가 될지도 모릅니다.

과연 우리는 태양의 힘을 안전하고 지속 가능한 에너지로 만들어 미래 세대에게 전해줄 수 있을까요? 그 답을 찾기 위한 인류의 도전은 오늘도 계속되고 있습니다.

 

 

대한민국 과학문화포털 사이언스올은 과학기술진흥기금 및 복권기금의 재원으로 제작되어,

우리나라 과학기술 발전과 저소득·소외계층의 복지 증진에도 기여하고 있습니다.