태양에너지의 비밀은 핵융합

에너지의 원천, 태양

태양은 지구에서 가장 가까운 별로 스스로를 빛을 낸다. 지구의 모든 생명체를 살아 숨 쉴 수 있게 만드는 근원이 되는 태양의 빛과 열에너지는 태양의 중심에서 일어나는 “핵융합”으로 만들어진다. 태양의 가장 많은 부분을 차지하는 수소의 원자핵들이 충돌해서 헬륨 원자핵으로 바뀌는 “핵융합 반응”이 일어나는데 이때 줄어든 질량만큼 에너지로 바뀌게 된다. 태양은 생성된 지 약 50억 년. 그리고 앞으로도 50억 년 이상 핵융합 반응을 지속할 것으로 예상하고 있다.

핵융합이란?

태양에너지의 원리란 핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵으로 바뀌는 것이다. 원자핵이 융합하는 과정에서 줄어든 질량은 에너지로 변환되는데, 이를 핵융합에너지라 한다. 높은 온도와 중력을 지닌 태양의 중심은 핵융합 반응이 활발히 일어난다. 하지만 지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어줘야 한다. 지구에서는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 핵융합을 통해 핵융합에너지를 얻는다.

플라즈마란?

초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태로 흔히 “물질의 제4의 상태”라고 부른다. 태양을 비롯한 우주는 99% 이상이 플라즈마 상태이다. 번개나 오로라 같은 자연에서 볼 수 있는 플라즈마 외에도, 형광등이나 네온 사인 및 PDP와 같은 플라즈마를 활용한 전자 제품들을 일상생활에서 접할 수 있다. 지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 태양과 같은 초고온의 플라즈마 상태를 필요로 한다.

핵융합에너지 vs 핵분열에너지

핵융합에너지는 원자력에너지로 알려져 있는 핵분열 반응을 통한 에너지와 반대되는 개념이다. 우라늄과 같이 무거운 원자핵이 깨지면서 감소되는 질량이 에너지로 변환되는 핵분열과 달리 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자핵의 융합 과정에서 에너지가 생성된다.

핵융합에너지 발생에 필요한 세 가지 조건

• 연료 바닷물이 필요하다.

  핵융합발전의 연료는 수소의 동위원소인 중수소 와 삼중수소를 사용한다.
  중수소는 바닷물을 전기분해하며, 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬과 중성자를 반응시켜 얻을 수 있다. 바닷물은 지구 표면의 70% 이상을 뒤덮고 있으며, 리튬 또한 매장량이 풍부하다. 따라서 핵융합 발전에 필요한 연료는 거의 무한 하다고 볼 수 있다.

• 환경 1억도의 플라즈마가 필요하다.

  양(+)전하로 밀어내는 성질을 지닌 원자핵들이 융합하기 위해서는 온도를 높여 서로 밀어내려 는 반발력을 이기고 충돌할 수 있도록 해야 한다. 핵융합 반응이 일어나는 태양 중심부는 약 1,500만도 정도이며, 지구에서 핵융합을 만들 기 위해서는 태양보다 뜨거운 1억도 이상의 높은 온도의 플라즈마를 필요로 한다.

• 핵융합 장치 1억도의 플라즈마를 담을 그릇(용기)이 필요하다.

  지구에서 핵융합을 실현하기 위해서는 인공적으로 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 담고, 핵융합 반응이 유지되도록 가둬 둘 용기가 필요하다. 이를 위해서 전 세계적으로 다양한 방식으로 연구가 이루어지고 있다. 현재 상용화에 가장 가까운 핵융합 장치는 도넛 형태의 자기장가둠 방식을 이용하는 ‘토카막’ 장치이다.
  플라즈마는 전기적 성질을 띤 이온이기 때문에 전기장을 걸어주면 자기력선 주위를 마치 꽈배기처럼 맴돌며 일정한 방향으로 움직이게 된다. 이를 도넛 형태로 이어주게 되면 플라즈마는 도넛 안을 끊임없이 돌며 핵융합을 만들게 된다.

가장 진보한 핵융합장치는 토카막

몇 가지 ‘인공태양’ 방법 중에 국제적인 노력으로 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어한다.
토카막은 러시아말인 ‘toroiidalonaya kamera(chamber) magnitnykh(magnet) katushkah(coil)’의 첫 자를 따서 만든 합성어로, 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후 세계적으로 우수성을 인정받아, 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

핵융합 발전원리

핵융합발전로 안에서 일어나는 초고온 플라즈마의 핵융합반응을 통해 생성된 중성자의 열에너지가 증기를 발생시키고, 그 증기가 터빈발전기를 돌려 전기를 생산한다.
1. 고진공용기 안에 중수소와 삼중수소를 주입하고 플라즈마 상태로 가열한다.
2. 토카막의 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둔다.
3. 플라즈마를 약 1억도 이상으로 가열해 핵융합반응을 일으킨다.
4. 핵융합 반응 시 일어나는 질량결손에 의한 핵융합에너지가 중성자 운동에너지로 나타난다.
5. 중성자 운동에너지가 열에너지로 변환돼 증기를 가열, 터빈 돌려 대용량의 전기를 생산한다.

왜 핵융합인가

에너지 위기에 직면한 지구

• 국제 유가 상승과 화석 연료 고갈위기
• 온실가스 배출과 지구 온난화 가속
• 세계 에너지 수요 폭발(중국, 인도 등)
• 적절한 대체에너지원 부재

핵융합에너지의 특징

• 01 고효율 에너지

  대용량의 전기 생산이
  가능합니다.

• 02 풍부한 에너지

  바닷물 등에서 연료를
  무한하게 얻을 수 있어
  고갈 걱정이 없습니다.

• 03 깨끗한 에너지

  온실가스 배출과
  환경오염 물질 발생이
  없습니다.

• 04 안전한 에너지

  예기치 못한 사고 시에도
  폭발 및 심각한 사고의
  우려가 없습니다.

• 05 평화적 에너지

  연료가 풍부해서 에너지
  확보를 위한 국가 간
  분쟁 염려가 없습니다.