핵융합 장치

가벼운 원소의 원자핵을 인공적으로 융합시켜 에너지를 생산해내는 장치 또는 시설이다. 현재 자기장을 이용한 토카막 방식의 핵융합장치가 집중적으로 개발되고 있다. 우리나라의 KSTAR 장치와 7개국이 공동으로 현재 프랑스에 건설 중인 ITER 프로젝트가 자기장 핵융합의 대표적인 시설이다.

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  KSTAR 핵융합장치

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  ITER 핵융합장치

자기장 핵융합 원리

자기장을 이용한 핵융합방식은 중성기체 연료(중수소와 삼중수소)를 플라즈마 상태로 만들어 용기 안에 가두고 원자핵들이 서로 쉽게 충돌반응을 하도록 한다. 핵융합 조건의 핵심은 플라즈마 내의 이온화된 원자핵의 밀도와 활동성이다. 이를 위해 자기장이 걸린 용기 내의 플라즈마를 수 억 도로 가열하고 가열된 원자핵들이 충돌하여 핵반응을 일으키도록 자기력선을 따라 움직이도록 하여 충돌할 확률을 높여 준다. 플라즈마의 온도를 높여주는 방법으로는 높은 에너지의 중성입자 빔(자기장 속을 통과하도록)을 입사시켜 에너지를 전달하거나 고주파 또는 초고주파를 입사하여 전자기적 에너지 교환을 이용하는 방법 등이 이용된다.

토카막이란?

초기의 자기핵융합장치는 직선 실린더 형태였으나 실린더 양 끝에서 플라즈마 입자가 벽과의 접촉으로 손실이 발생하였다. 이에 따라 실린더 양 끝을 구부려 플라즈마 손실을 억제하고 자기장을 도넛 모양(torus)의 축 방향으로 생성되도록 전자석들을 핵융합 장치를 둘러싸도록 배치하였다. 이 때 타이어가 압력에 의해 팽창하는 것처럼 플라즈마가 팽창하여 장치의 내벽과 충돌하는 것을 막기 위해 자기력선을 나선형으로 꼬아준다. 이를 위해 토러스 축 방향으로 강한 전류를 흘려주어야 하는데 이 전류에 의해 형성된 자기장과 주 자기장이 합하여 플라즈마 입자가 나선형의 궤도를 돌게 만든 장치이다.

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)

KSTAR는 우리나라가 국내기술로 독자적으로 개발하여 운영 중인 자기장 핵융합 원리를 이용한 진보된 차세대 초전도핵융합연구 장치이다. 세계 최초로 신소재 초전도자석(Nb3Sn)을 활용한 KSTAR는 2007년 9월 건설을 완료하여 종합 시운전을 거쳐 2008년 7월 최초 플라즈마를 발생시키고 현재 핵융합 상용화 기술 확보를 위한 핵심연구에 활용되고 있다. KSTAR는 또한 세계 핵융합연구 공동실험장치로 활용되고 있다. KSTAR는 2008년 최초 플라즈마 발생 성공 이후 플라즈마 실험을 통해 세계적 연구 성과를 달성하고 있다. 2010년 초전도핵융합장치로서는 처음으로 고성능플라즈마(H-모드) 운전에 성공하였으며 2016년에는 1분 이상(70초) 고성능 플라즈마 운전에 성공하는 등 관련 세계기록을 계속 갱신하고 있다. 핵융합 플라즈마경계면불안정(ELM) 현상의 제어 및 플라즈마 내부 불순물 제거 기술 등 핵융합상용화를 위한 주요 난제 해결에도 큰 성과를 얻고 있다. KSTAR 개발을 통해 핵융합기술의 우수성을 인정받은 우리나라는 핵융합 상용화 가능성을 최종 검증하게 되는 국제공동프로젝트인 ITER에 처음부터 참여하여 맡은 바 역할을 다하고 있다. 특히 KSTAR에 사용된 신소재 초전도체(Nb3Sn)는 ITER에 사용되는 것과 같은 것으로 현재까지 모든 초전도 자석이 Nb3Sn으로 만들어진 핵융합 장치는 KSTAR가 유일하다. 이로 인해 KSTAR는 ITER의 축소판으로 불리며 ITER의 본격적인 운영 전에 사전 시험장치로 활용될 것으로 예상된다.

ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)

1985년 11월 구소련의 고르바초프 서기장과 레이건 미국 대통령은 정상회담에서 평화적 이용을 위한 핵융합에너지 개발 추진에 합의하고 IAEA의 후원아래 ITER 이사회를 조직하여 미국, 러시아, EU, 일본 등이 ITER 국제공동연구개발 사업을 출범시켰다. 라틴어로 ‘길’을 뜻하는 ITER는 국제협력의 핵융합발전 실험로 건설 사업으로, 2007년 공동이행협정이 서명된 후 한국, EU, 일본, 러시아, 미국, 중국, 인도 7개국이 참여하고 있다. ITER사업은 지난 40년간 세계 핵융합실험 장치들이 이루어 낸 결과들을 종합해 핵융합 상용화를 기술적으로 점검하는 것으로 실증로를 거쳐 상용발전으로 이어질 전망이다. ITER는 현재 프랑스 카다라쉬 지역에 건설이 진행 중이며 2025년 경 운전을 시작하여 10 여 년 동안 핵융합에너지 상용화를 위한 각종 과학적· 기술적 검증 실험을 체계적으로 진행하게 된다. ITER 실험 자료는 향후 핵융합 실증발전로를 설계하는데 매우 유용하게 사용될 것이다. ITER 건설에 참여하는 우리나라는 초전도선재, 진공용기 등 할당된 10개의 조달품목 제작·공급하면서 ITER 기구 운영에 직접 참여하고 있다.

핵융합발전 개념

핵융합발전 개념도

핵융합발전기술의 핵심은 Blanket 장치로서 플라즈마에서 핵융합으로 발생한 에너지를 회수하여 열에너지로 바꾸는 장치이다. Blanket은 플라즈마가 있는 진공용기를 감싸고 있으며 진공 용기와 Blanket 사이로 냉각재가 흐른다. 핵융합반응에서 생성된 중성자는 Blanket에서 감속되면서 운동에너지가 열로 전환되고 열은 냉각재로 전달된다. 뜨거운 냉각재는 열교환기를 거쳐 증기발생기에서 증기를 발생시킨 후 냉각재로 순환된다. 증기는 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산한다. Blanket은 중성자가 핵융합로 기기와 구조재를 방사화(activation) 시키지 못하도록 차폐하는 역할도 한다. 삼중수소를 연료로 사용하는 경우에는 Blanket 내부에서 중성자-리튬 반응으로 삼중수소를 재생산하는 핵연료주기의 중요한 공정도 Blanket 에서 일어난다.