실제로 핵융합은 핵분열 방식의 원자력 발전과 달리 장기간 방사능을 뿜어내는 고준위 방사능 폐기물이 나오지 않는다. 연료공급이 중단되면 즉각 자동 정지돼 원자로 폭발이나 노심용융의 우려도 없다.
특히 지구상에 풍부한 중수소와 삼중수소(리튬)를 원료로 사용, 무한에너지의 면모까지 갖추고 있다.
우리나라를 포함해 유럽연합(EU), 미국, 일본 등 7개국이 참여 중인 국제 열핵융합 실험로(ITER) 사업은 이러한 핵융합로 상용화의 첨병으로서 2019년 프랑스 남부 카다라쉬에 세계 최대의 핵융합로 준공이 목표다.
ITER의 심장은 토카막(Tokamak)이라 명명된 도넛 모양의 용기. 초전도 자석의 자기장을 이용, 중수소와 삼중수소의 원자핵이 융합할 때 생성된 초고온 플라즈마를 가두는 역할을 한다.
이에 힘입어 입자 빔, 전파, 극초단파를 사용해 지속적 핵융합 반응을 꾀할 수 있는 1억5,000만℃까지 플라즈마를 가열할 수 있는 것이다. 이런 핵융합에 의해 중수소와 삼중수소는 헬륨으로 변환되고 그 과정에서 중성자도 함께 방출된다.
바로 이 중성자의 강력한 운동에너지를 열에너지로 바꿔서 증기를 가열, 터빈을 돌려 전기를 얻는 것이 핵융합 발전이다. 중성자의 에너지 변환은 토카막 내측에서 플라즈마를 감싸고 있는 블랭킷(Blanket)이라는 부품이 담당한다.
ITER의 핵융합로, 즉 토카막은 기존 석탄 화력발전소와 유사한 500㎿의 전력 생산이 가능하다. 기대에 못 미칠지 몰라도 ITER의 성공은 엄청난 잠재적 가치를 지닌다. 이 기술이 상용화되면 0.8㎎의 중수소- 삼중수소 연료만으로 난방유 7,570ℓ에 해당하는 에너지를 얻을 수 있기 때문이다.
또한 ITER의 선임과학담당관 리처드 피츠는 "핵융합로는 태생적으로 체르노빌이나 후쿠시마 같은 사고를 일으키지 않는다"며 "이것이야 말로 가장 큰 매력"이라고 강조한다. 물론 토카막 방식의 상용 핵융합로 개발에는 아직 많은 난제가 남아있다. 첫 번째는 삼중수소의 수급 문제다.
물에서 비교적 쉽게 얻을 수 있는 중수소와 달리 삼중수소는 반감기가 짧아 지구상에 자연적으로 존재하는 양은 23㎏에 불과하기 때문이다. 완벽한 개념의 핵융합로는 리튬을 활용해 스스로 삼중수소를 만들 수 있지만 현재는 중수로(重水爐) 원자로에서 방출되는 것을 포집하는 것이 사실상 유일한 방법이다.
또한 핵융합의 부산물들에 의한 토카막 내벽의 마모를 막아줄 물질을 찾아내야 하며 토카막의 유지보수와 정비를 위해 강력한 방사능이 잔류하는 토카막 내부에서 작업할 로봇의 개발도 필수다.
이 로봇은 최대 10톤이나 되는 부품을 교환할 수 있어야 한다. 2019년부터 18년간 운용될 ITER이 성공한다면 그 데이터는 2040년 완공 예정인 2,000~4,000㎿급 실증로(DEMO)의 건설에 큰 도움이 될 것이다.
ITER 메커니즘
연료 주입
엔지니어들이 도넛 모양의 진공 용기인 토카막 내부에 핵융합의 연료인 중수소와 삼중수소를 주입한다.
플라즈마 발생
강력한 전류로 중수소 및 삼중수소 가스를 가열, 이온화시키면 대전(帶電)된 입자들로 구성된 플라즈마 고리가 만들어진다.
가열
전파, 극초단파, 고에너지 중수소 입자 빔을 통해 플라즈마를 가열한다.
그러면 초고온 상태에서 중수소와 삼중수소의 원자핵이 융합, 헬륨 원자와 중성자가 생성된다.
플라즈마 격리
플라즈마가 토카막에 닿으면 핵융합 반응이 사라진다.
때문에 토카막에는 강력한 자기장으로 플라즈마를 가둘 수 있도록 39개의 초전도 폴로이달 자석, 토로이달 자석, 중앙 솔레노이드 자석이 채용돼 있다.
에너지 변환
토카막 내측에 두께 45.7㎝의 철제 블랭킷이 위치한다.
블랭킷은 중성자로부터 토카막을 보호하고 중성자의 운동에너지를 열에너지로 변환하는 역할을 한다.
▩ ANOTHER 핵융합 발전: 레이저
핵융합 반응에 꼭 토카막을 쓸 필요는 없다. 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 산하 국가점화시설(NIF)의 연구자들은 레이저를 활용해 핵융합을 일으키려 한다.
중수소- 삼중수소가 담긴 캡슐에 고에너지 레이저를 집중시켜 1억℃의 온도와 100만 기압의 압력을 형성, 핵융합 반응을 촉발하는 것. 연구팀은 이렇게 11kWh의 에너지를 얻을 수 있을 것으로 본다.
다만 NIF의 레이저 핵융합 장치는 실제 발전용으로는 쓰이지 못할 전망이다. 광학 부품들의 냉각 때문에 레이저 1회 발사 후 재발사까지 너무 오랜 시간이 걸리는 탓이다.
