-점진적이지만 확실히 연구 성과 내고 있는 핵융합 연구 인력 육성해야
[뉴스워커_7주년 창간기획] 지난 2월 13일 국가핵융합연구소는 핵융합에너지 연구 장비인 ‘KSTAR’를 이용하여 플라즈마의 이온 온도를 섭씨 1억도까지 상승시켰으며 1억도 이상의 초고온 플라즈마 상태를 1.5초간 유지하는데 성공했다고 발표했다.
이번에 국가핵융합연구소가 초전도 토카막(Tokamak) 핵융합 장치를 이용하여 플라즈마 이온 온도를 1억도까지 상승시킨 것은 세계 최초이며 핵융합 발전의 상용화에 한걸음 더 가까이 다가갔다는 평가를 받고 있을 정도로 그 의미가 작지 않다.
한편 2018년 11월 12일 중국과학원(CAS)도 초전도 토카막 장치인 ‘EAST’로 플라즈마 온도를 1억도까지 상승시켰다고 발표한 것이 사실이지만, 중국이 1억도까지 온도를 상승시킨 입자는 원자핵인 ‘플라즈마 이온’이 아니라 ‘전자’였다는 점에서 한계가 있다.
원자(Atom)는 기본적으로 +전하를 띠면서 원자 중심부에 위치한 원자핵(Nucleus)과 –전하를 띠면서 원자 외곽에 위치하는 전자(Electron)로 구성된다고 볼 수 있으며, 원자핵은 원자를 구성하는 질량의 대부분을 차지하는데 수소를 기준으로 수소 원자핵의 질량은 전자 질량의 약 1836배에 달할 정도로 큰 차이가 난다.
핵융합 발전은 원자핵이 융합될 때 질량이 에너지로 변환되는 이른바 ‘아인슈타인의 질량 에너지 등가의 법칙’을 이용하는 발전 방식으로 원자핵간의 융합이 원활하도록 원자핵의 온도를 고온으로 상승, 유지하는 것에 핵심이 있다.
따라서 핵융합 반응과의 직접성을 고려한다면 최근 국가핵융합연구소가 발표한 플라즈마 이온, 즉 원자핵의 온도를 1억도까지 상승, 1.5초간 유지한 것이 중국이 전자의 온도를 1억도까지 상승시킨 것보다 의미가 있고 핵융합 상용화에 한걸음 더 가까이 간 것으로 볼 수 있다.
◆ 더 높은 온도에서 더 오래 플라즈마를 안정시키는 것이 관건
향후 핵융합 연구는 플라즈마를 얼마나 더 높은 온도에서 더 오래 안정화시킬 수 있는가가 관건이라고 볼 수 있다.
1982년 독일 ASDEX 토카막으로 핵융합 실험 도중 외벽 근처에서 불규칙한 플라즈마 난류의 세기가 급격하게 약해지며 플라즈마 밀폐 성능이 2배 이상으로 향상되는 현상이 나타났고 연구자들은 이 현상을 H-모드라 명명하며 본격적인 연구에 착수했다.
연구자들은 H-모드가 핵융합 반응을 안정적으로 제어하는 것에 도움을 줄 수 있어 해당 현상을 오래 지속시키는데 역량을 집중했지만, ELM(Edge Localized Mode) 현상 등의 발생으로 L-모드 상태로 전이되거나 플라즈마 상태의 붕괴가 일어나 H-모드를 오랜 시간 유지하는 것은 기술적으로 쉬운 일이 아니었다.
하지만 한국의 국가핵융합연구소는 2010년 11월 세계 최초로 초전도 토카막을 활용하여 H-모드 운전을 달성한 후 2012년 고성능 플라즈마 운전(H-모드)을 17초간 안정적으로 유지했으며, 2016년 70초, 2017년 73초, 2018년에는 88초의 고성능 플라즈마 운전을 유지하여 차근차근 연속 운전 시간을 연장하는데 성공했다.
게다가 연구소는 플라즈마 내부에도 장벽을 구축하여 H-모드를 능가하는 차세대 운전모드로 각광받고 있는 ITB(Internal Transport Barrier) 모드에서 플라즈마 중심부 온도를 1억도로 1.5초간 유지하는데 성공하여 기술력을 향상시켰다는 평가를 받고 있다.
향후 연구소는 올해 추가로 도입되는 중성입자빔 가열장치를 활용하여 플라즈마 온도를 1억도로 10초 이상 유지하는 것을 목표로 하고 있고, 목표 달성 시 100초, 300초 이상 유지 순으로 플라즈마 유지 목표를 순차적으로 상향할 예정이며 플라즈마 온도도 KSTAR가 견딜 수 있는 1억 5000만도 수준으로 상승시킬 계획으로 알려졌다.
◆ 핵융합 연구 인력 늘려 ITER에 인원 파견 증가 꾀할 필요 있어
2018년 12월 27일 ITER 국제기구는 2018년 12월 20일 기준으로 ITER 건설은 60%이상 진척되었고 토카막 건물 기준으로는 70%이상 공사일정이 진척되었다고 발표한 바 있다.
ITER는 2007년부터 한국, 미국, 중국, 일본, 러시아, EU, 인도 등이 힘을 합하여 건설하고 있는 핵융합 실험 장비이며, 2023년까지 토카막 조립 공사를 2024년까지 전기배선 등 부가설비 공사를 완료하여 2025년에 첫 플라즈마를 생성한 후 2035년에는 500MW급 핵융합로를 풀가동할 계획으로 알려졌다.
ITER 건설 계획이 순조롭게 진행되고 있는 가운데 지난 2018년 12월 에이스케 타다 ITER 국제기구 사무차장은 한국을 방문하여 정기정 ITER 한국 사업단장과 함께 한국 연구자의 파견 확대를 위한 정책적 지원과 연구자의 관심을 증가시킬 방안이 강구되어야 한다는 주장을 제기했다.
타다 사무처장의 주장은 2018년 11월 기준으로 ITER에 파견된 연구자 861명 중 한국의 연구 인원이 32명(3.7%)로 일본의 연구 인원 26명(3.0%)과 함께 가장 낮은 수준을 유지한 현상에 기반하고 있다.
타다 사무차장은 ITER 건설 기간 파견된 연구자들은 향후 자국에서 건설될 핵융합 실증로를 건설하는데 중요한 역할을 할 수 있을 것이라고 주장했으며, 정기정 사업단장은 ITER 완공 후에는 KSTAR에서 훈련된 연구 인원들을 파견하여 선순환 구조를 만들 수 있고 향후 핵융합 상용화 시대에 이르러서는 ITER에 연구 인력 파견 확대로 급증할 핵심 연구 인력 수요 확대에 대응할 수 있을 것으로 전망했다.
또한 학계에서는 KSTAR 운용 기술 수준이 높아질수록 향후 핵융합 관련 연구에서 한국 연구진들이 주도적인 위치에서 연구를 진행할 수 있는 가능성이 높아지기 때문에 신진 연구진들의 육성 확대가 필요하다는 주장이 제기되고 있다.
분명 단기간 내에 국가핵융합연구소의 최근 연구결과가 핵융합 상용화로 곧바로 이어진다고 주장하기는 어렵지만, 핵융합 연구기술수준이 향상되고 있는 것은 분명해 보이며 ITER를 비롯한 국제 사회의 핵융합 기술개발에 대한 투자도 지속되고 있다는 점에서 한국 또한 가용 자원 안에서 핵융합 기술을 더욱 발전시킬 방안을 강구할 필요는 있다고 볼 수 있다.