"미래는 핵융합 에너지시대"

위용을 드러내고 있는 한국형 핵융합 실험로(KSTAR). 오는 2007년 완공되는 이 실험로는 현재 90% 이상의 공정률을 보이고 있다.

핵 융합 원리와 플라즈마를 가두는 융합로인 토카막 장치 내부구조. /사진제공 초전도 핵융합연구장치 사업단

‘E=mc2’. 아인슈타인의 유명한 상대성 이론 공식이다. 에너지(E)는 질량(m)에 비례 한다는 이 단순한 공식을 통해 인류는 ‘핵 분열’과 ‘핵 융합’을 알아냈다. 핵 분열의 대표적 산물로 인류를 파멸로 이끌 원자폭탄을 들 수 있다. 동시에 전기 에너지 발생에 가장 큰 효자 노릇을 하는 원자력 발전도 핵 분열의 산물이다. 두 종류의 핵을 하나로 합치는 핵 융합의 연구로 탄생한 것은 원자폭탄 보다 몇 배 위력이 센 수소폭탄이다. 하지만 한 편으로는 핵 융합을 통해 방사선 방출도 없고 무한대로 사용할 수 있는 에너지를 얻어낼 수 있는 길을 발견해 내고 현재 전 세계 각국이 핵 융합 에너지를 얻기 위한 기술개발에 들어간 상태다. ◇원자의 핵 에너지를 이용하다 = 물질의 최소 단위는 원자다. 원자는 핵과 전자로 구성돼 있는 데 에너지는 핵에 집중돼 있다. 질량이 핵에 집중돼 있기 때문이다. 이 같은 핵의 변화를 통해 일어나는 반응이 바로 핵 분열과 핵 융합이다. 핵 융합은 질량이 가벼운 원자 두 개가 모여 하나의 원자가 되는 것. 핵 융합이 가장 일어나기 쉬운 조합은 질량이 1인 중수소(D)와 삼중수소(T)가 모여 질량이 2인 헬륨이 되는 것이다. 현재 핵 융합 연구도 중수소와 삼중수소 결합에 맞춰져 있다. 그렇다면 핵 융합 과정에서 에너지가 발생하는 것일까. 질량보존의 법칙에 의하면 질량이 2인 2개의 원자가 모이면 질량이 4인 원자가 나와야 된다. 하지만 실제로는 질량이 4 보다 작다. 이유는 핵 융합 과정에서 질량의 일부가 에너지로 전환(일명 결합 에너지)된 데 따른 것이다. 결합 에너지가 바로 핵 융합 에너지다. ◇핵 융합의 놀라운 무한대 에너지 = 흥미로운 것은 핵 융합의 경우 핵 분열(원자력 발전)에서 나타나는 방사능 유출이 전혀 없다는 점이다. 아울러 핵 융합 조합이 쉬운 중수소와 삼중수소가 자연에 무한대로 존재한다는 점이다. 중수소의 경우 바닷물에서 주출한다. 아울러 바닷물 1리터 속에 있는 중수소를 뽑는 데 드는 비용도 10원 정도에 불과하다. 아울러 핵 융합 때 발생하는 에너지도 상상을 초월한다. 핵 융합 연로 1g은 8톤의 석유에 해당되며 시간당 10만kw의 전기 생산이 가능하다. 이론적으로 300g 삼중수소와 200g의 중수소만 갖고 고리 원자력 발전소 보다 2배 큰 발전소를 가동시킬 수 있다. 엄청난 양의 에너지다. 한가지 살펴볼 것은 핵은 양전하를 띠고 있어 합치는 것이 쉽지 않다는 것. 이를 위해선 최소 1억도 이상의 온도로 가열해야 된다. 1억도 이상의 온도에서 견딜 수 있는 물질이 있을까. 다름아닌 기체 보다 한단계 위인 플라즈마가 그것이다. 플라즈마는 핵과 전자가 분리된 상태를 말하는 데 바로 태양이 플라즈마다. 형광등도 플라즈마의 한 종류다. 우리 주변에는 고체ㆍ액체ㆍ기체 보다 사실 플라즈마 상태인 물질이 더 많다. 문제는 1억도 이상으로 가열된 플라즈마를 가두는 장치. 다행이 러시아에서 토카막이라는 장치를 발견해 냈고, 현재 이 원리를 토대로 융합로를 만들고 있다. ◇한국의 ‘KSTAR’ 사업단, 핵 융합에 도전장 = 현재 융합로 건설을 위해 전 세계가 공동으로 프로젝트를 진행중이다. 미국, EU, 일본, 중국 등은 오는 2016년 완공을 목표로 500MW급 ‘국제핵융합실험로(IETR)’ 프로젝트를 추진중이다. 우리나라도 5억 달러를 분담하고 있다. 한편 우리나라는 이와 별도로 ‘차세대 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR) 사업단’을 구성, 자체적으로 핵 융합로를 건설중이다. 1995년에 시작된 KSTAR(한국형 핵 융합 실험로)는 오는 2007년 완공되면 현재 90% 이상의 공정률을 기록하고 있다. ‘석탄과 석유, 원자력 시대를 지나 앞으로는 핵 융합 시대가 올 것이다‘. 핵 융합 발전소 건설에 소요되는 비용은 일반 원자력 보다 1.5배 정도 소요된다. 하지만 연료비도 적고, 핵 융합 재료도 무한대고, 폐기물도 없다는 점 때문에 핵 융합이 주목 받고 있다.