핵융합(태양 에너지 및 인공태양)

중수소와 삼중수소는 수소의 동위원소이다. 중수소(Deuterium, D)는 원자핵에 양성자 1개와 중성자 1개를, 삼중수소(Tritium, T)는 양성자 1개와 중성자 2개를 가지고 있다. 이 두 핵종이 고온 고압의 조건에서 충돌하여 융합하면, 더 무거운 헬륨 원자핵(헬륨-4)과 하나의 중성자가 생성되며 막대한 에너지가 방출된다. 이 반응은 D-T 반응으로 널리 알려져 있다.

반응식은 다음과 같다:

D + T → He-4 + n + 17.6 MeV

이 과정에서 방출되는 에너지 17.6 MeV[1]는 반응에 참여한 핵자(양성자와 중성자)당 약 3.5 MeV에 해당하며, 이는 화학 반응이나 핵분열 반응에서 핵자당 방출되는 에너지보다 훨씬 크다. 생성된 헬륨-4 핵(알파 입자)은 약 3.5 MeV의 운동 에너지를, 중성자는 약 14.1 MeV의 운동 에너지를 가진다.

D-T 반응은 현재 지상에서의 핵융합 발전 연구에서 가장 유력한 후보 반응으로 고려된다. 그 주된 이유는 다른 가능한 핵융합 반응들(예: D-D 반응)에 비해 반응에 필요한 최소 온도(점화 온도)가 상대적으로 낮고[2], 반응 단면적이 크며, 단위 질량당 방출 에너지가 매우 크기 때문이다.

그러나 D-T 반응을 실용화하는 데는 기술적 난제가 있다. 삼중수소는 자연에서 극미량 존재하는 방사성 동위원소로, 반감기가 약 12.3년이다. 따라서 대량의 삼중수소를 확보하기 위해서는 중성자를 리튬에 충돌시켜 인공적으로 생산해야 한다[3]. 미래의 핵융합로는 이 반응에서 발생하는 고에너지 중성자를 이용해 주변의 리튬 블랭킷에서 삼중수소를 재생산하는 '삼중수소 증식' 과정을 필수적으로 포함할 것으로 예상된다.

원자핵은 양전하를 띠고 있어 서로 밀어내는 쿨롱 힘을 작용한다. 이 반발력을 극복하고 핵들이 충분히 가까워져 강한 상호작용이 작용할 수 있을 만큼 접근해야 핵융합 반응이 일어난다. 이 반발력의 장벽을 쿨롱 장벽이라고 부른다.

쿨롱 장벽을 넘어서기 위해서는 핵들이 매우 높은 운동 에너지를 가져야 한다. 이를 실현하는 일반적인 방법은 연료(예: 중수소와 삼중수소)를 수천만 도 이상의 극고온으로 가열하는 것이다. 이렇게 높은 온도에서는 원자에서 전자가 떨어져 나가 양이온과 전자가 자유롭게 움직이는 상태, 즉 플라즈마 제4의 물질 상태가 된다. 고온 플라즈마 내부의 핵들은 열운동에 의해 매우 빠른 속도로 움직이며, 이로 인해 쿨롱 장벽을 통과할 확률을 얻게 된다.

따라서 인공 핵융합의 성공 조건은 고온(High Temperature), 고밀도(High Density), 충분한 가둠 시간(Sufficient Confinement Time)으로 요약된다. 이 세 조건의 곱인 '삼중곱' 값이 일정 임계값을 넘어야 에너지 손익분기점에 도달하는 점화가 일어난다[4]. 태양과 같은 항성은 중력에 의해 플라즈마를 가두고 고온·고압 상태를 유지하여 핵융합을 지속한다.

태양과 같은 주계열성의 중심부에서 일어나는 가장 주요한 핵융합 과정은 양성자-양성자 연쇄반응이다. 이 반응은 수소 원자핵인 양성자들이 융합하여 헬륨 원자핵을 생성하며, 그 과정에서 막대한 에너지를 방출한다. 태양 중심의 온도(약 1500만 켈빈)와 압력 조건에서는 이 반응이 주된 에너지원으로 작동한다.

양성자-양성자 연쇄반응은 여러 단계를 거쳐 진행된다. 기본적인 경로는 다음과 같다.

1. 두 개의 양성자(수소 핵)가 융합하여 하나의 중수소 핵(양성자 하나와 중성자 하나)을 만들고, 양전자와 중성미자를 방출한다.

2. 생성된 중수소 핵이 또 다른 양성자와 융합하여 헬륨-3 핵(양성자 두 개와 중성자 하나)을 만들며, 감마선을 방출한다.

3. 두 개의 헬륨-3 핵이 충돌하여 하나의 헬륨-4 핵(양성자 두 개, 중성자 두 개)과 두 개의 양성자를 만들어낸다.

전체적인 순효과는 네 개의 수소 핵(양성자)이 하나의 헬륨 핵으로 변환되는 것이다. 이 과정에서 헬륨 핵의 질량은 네 개의 양성자 질량 합보다 약 0.7% 가량 적다. 이 '질량 결손'이 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리(E=mc²)에 따라 에너지로 전환되어 태양의 빛과 열을 만들어낸다.

양성자-양성자 연쇄반응의 각 단계는 확률이 매우 낮아 느리게 진행되지만, 태양의 거대한 규모 덕분에 전체적으로 초당 약 6억 톤의 수소가 헬륨으로 융합된다. 이 반응은 태양 질량 정도의 항성에서 가장 효율적으로 일어난다. 더 무거운 항성에서는 탄소-질소-산소 순환과 같은 다른 반응 경로가 더 중요해진다.

태양 중심부에서 생성된 에너지는 주로 광자 형태의 복사 에너지로 외부로 전달된다. 이 과정은 매우 느리게 진행되어 중심부에서 생성된 광자가 태양 표면에 도달하는 데에는 평균 약 10만 년에서 170만 년에 이르는 시간이 걸린다[5]. 에너지는 먼저 고밀도의 복사층을 통과하며, 이 구간에서는 광자가 물질에 반복적으로 흡수되고 재방출되면서 점진적으로 외부로 이동한다.

태양 반경의 약 70% 지점에 이르면 온도가 낮아지고 대류가 효율적인 에너지 전달 방식이 된다. 이 구간을 대류층이라고 하며, 뜨거운 플라즈마 기둥이 표면 근처로 상승하여 열을 방출한 후 식어서 다시 내려가는 대류 운동이 일어난다. 이 과정은 마치 끓는 냄비의 물이 순환하는 것과 유사하다.

최종적으로 에너지는 태양의 가시 표면인 광구에 도달하여 주로 가시광선을 포함한 전자기파 형태로 우주 공간으로 방출된다. 태양에서 방출되는 에너지의 스펙트럼은 약 5,800K의 흑체 복사 스펙트럼에 가깝다. 생성된 에너지의 극히 일부인 약 10억 분의 1 정도만이 지구에 도달하지만, 이는 지구의 모든 생명 활동과 기후 시스템을 유지하는 근원이 된다.

토카막은 자기장을 이용하여 초고온의 플라즈마를 가두는 핵융합 장치의 한 형태이다. '토카막'이라는 명칭은 러시아어로 '자류형 자기장 코일'을 의미하는 단어의 약자에서 유래했다. 이 장치는 도넛 모양(환상형)의 진공 용기와 이를 감싸는 강력한 자기장 코일로 구성된다. 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 연료인 중수소와 삼중수소가 이온과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 수억 도 이상의 고온으로 가열되어야 한다. 토카막은 이 초고온 플라즈마를 용기의 벽과 직접 접촉하지 않도록 자기장의 힘으로 공중에 띄워 가두는 역할을 한다.

토카막의 작동 원리는 크게 두 가지 자기장을 조합하는 데 기반을 둔다. 첫째는 환상형 코일(토로이달 코일)에 전류를 흘려 발생시키는 강력한 자기장으로, 이는 플라즈마 입자들이 도넛 모양을 따라 회전하도록 만든다. 둘째는 플라즈마 자체에 흐르는 큰 전류에 의해 생성되는 자기장(폴로이달 자기장)이다. 이 전류는 플라즈마를 추가로 가열하는 역할도 한다. 이 두 자기장이 합쳐져 나선형의 합성 자기장을 형성함으로써, 플라즈마 입자들이 용기 벽으로 빠져나가지 않고 안정적으로 가둬지게 된다.

토카막 설계의 핵심 과제는 플라즈마의 안정성을 장시간 유지하는 것이다. 플라즈마는 다양한 불안정성을 보이기 쉽고, 가열 및 유지에 막대한 에너지가 필요하다. 주요 성능 지표는 가둠 시간, 플라즈마 온도, 밀도로, 이 세 가지의 곱인 '삼중곱'이 일정 값을 넘어야 핵융합 반응으로 순 에너지 이득을 얻을 수 있다. 이를 위해 초전도 자석 기술이 발전하여 보다 강력하고 효율적인 자기장을 생성하는 데 활용되고 있다.

토카막 방식의 발전은 국제 협력을 통해 이루어져 왔다. 아래는 주요 토카막 실험 장치들의 예시이다.

현재 건설 중인 국제 프로젝트 ITER는 토카막 방식의 결정체로, 상용화를 위한 핵심 기술을 검증하고 핵융합 반응으로부터 입력 에너지의 10배 이상의 출력을 얻는 것을 목표로 한다.

관성 가둠 방식은 고에너지 레이저나 이온 빔을 이용해 미세한 핵융합 연료 펠릿을 극단적으로 빠르게 가열하고 압축하여 반응 조건을 만드는 기술이다. 이 방식은 연료 자체의 관성을 이용해 매우 짧은 시간 동안 플라즈마를 가두는 원리로 작동한다. 펠릿에 고출력 에너지가 순간적으로 집중되면 표층이 폭발적으로 증발하면서 반동으로 내부가 초고압·초고온 상태로 압축된다. 이 과정에서 쿨롱 장벽을 극복하고 중수소와 삼중수소가 융합할 수 있는 조건이 마련된다.

가장 대표적인 접근법은 레이저 핵융합이다. 여기서는 다수의 고출력 레이저 빔을 정밀하게 제어하여 구형의 연료 펠릿을 전방위에서 균일하게 조사한다. 이 기술의 성공을 위해서는 레이저의 에너지 전달 효율, 빔의 균일성, 그리고 펠릿의 완벽한 구형 구조가 매우 중요하다. 주요 실험 시설로는 미국의 국립점화시설(NIF)이 있으며, 여기서는 192개의 레이저 빔을 사용한다. 또 다른 방법으로는 중이온이나 경이온을 가속시켜 연료를 조사하는 이온빔 관성 가둠 방식도 연구되고 있다.

관성 가둠 방식은 자기장 가둠 방식인 토카막과 몇 가지 뚜렷한 차이점을 보인다. 토카막이 초전도 자석으로 생성한 강력한 자기장 안에서 플라즈마를 장시간 유지하는 것을 목표로 한다면, 관성 가둠 방식은 극히 짧은 순간(나노초 단위)에 초고밀도 상태를 만들어 일회성 폭발적인 에너지 방출을 얻는다. 이로 인해 발전 방식에서도 차이가 나는데, 관성 가둠 발전로는 작은 펠릿을 연속적으로 투입하고 폭발시켜 그 에너지를 회수하는 방식으로 구상된다.

이 방식은 군사적 연구인 수소폭탄의 점화 기술에서 비롯되었으나, 현재는 순수한 에너지 생산을 위한 민간 연구로 전환되었다. 기술적 난제로는 레이저 에너지의 효율적인 펠릿 내 전달, 압축 과정의 불안정성(예: 레이리-테일러 불안정성) 제어, 그리고 반복적인 펠릿 주입 및 정밀 타격 시스템 구축 등이 있다. 2022년 국립점화시설에서 최초로 순 에너지 이득(Q>1)을 달성한 것은 이 분야의 중요한 이정표가 되었다[6].

핵융합 발전의 가장 큰 장점은 연료의 풍부함과 거의 무한에 가까운 공급 가능성에 있다. 주요 연료인 중수소는 바닷물에서 쉽게 추출할 수 있으며, 1리터의 바닷물에 포함된 중수소의 에너지 잠재량은 석유 300리터에 해당한다고 평가된다[7]. 다른 주요 연료인 삼중수소는 자연계에 극미량 존재하지만, 리튬과 중성자의 반응을 통해 핵융합로 내에서 직접 생산할 수 있다. 지각에 풍부하게 매장된 리튬 자원만으로도 인류의 에너지 수요를 수천 년 동안 충당할 수 있을 것으로 추정된다.

환경적 측면에서 핵융합은 이산화탄소를 배출하지 않는 청정 에너지원이다. 또한 핵분열 발전과 달리 고준위 방사성 폐기물을 장기간 관리해야 하는 문제가 없다. 핵융합 반응 자체에서는 중성자에 의해 장비가 방사화될 수 있지만, 이로 인해 생성되는 폐기물은 비교적 반감기가 짧은 물질들로 구성된다. 대부분의 폐기물은 100년 이내에 방사능 수준이 현저히 낮아져 재활용이나 비교적 단순한 처분이 가능해진다.

안전성 면에서도 핵융합로는 본질적으로 폭발이나 용융 사고의 위험이 극히 낮다. 핵융합 반응을 유지하기 위해서는 초고온 플라즈마의 정밀한 가둠 상태가 지속되어야 하며, 어떠한 이상 상황에서도 이 조건이 깨지면 반응은 즉시 자동으로 정지한다. 따라서 사고가 발생하더라도 핵분열 발전소에서와 같은 대규모 방사능 누출 사태는 발생하지 않는다.

핵융합 발전을 실현하기 위한 가장 큰 장애물은 기술적 난제와 이로 인한 경제성 문제이다. 핵융합 반응을 일으키고 유지하기 위해서는 중수소와 삼중수소 같은 연료를 수억 도 이상의 초고온 상태로 가열하여 플라즈마를 생성해야 한다. 이렇게 생성된 플라즈마를 안정적으로 오랜 시간 가두는 것은 극히 어려운 기술적 도전이다. 현재 가장 유력한 방식인 토카막은 강력한 자기장으로 플라즈마를 가두지만, 플라즈마의 불안정성으로 인해 가둠 시간을 늘리는 데 한계가 있다. 또한, 반응로 내벽은 고에너지 중성자와 열에 지속적으로 노출되어 심한 손상을 입기 때문에 내구성 있는 소재 개발이 필수적이다.

경제성 측면에서 핵융합 발전은 막대한 초기 건설 비용과 운영 비용이 걸림돌이다. 실험용 장치를 넘어 상업용 발전소를 건설하려면 그 규모와 복잡성이 훨씬 커지며, 이에 따른 투자 비용은 천문학적일 수 있다. 핵융합 반응에서 발생하는 에너지를 효율적으로 회수하여 전기로 변환하는 기술도 아직 상용화 수준에 이르지 못했다. 현재 진행 중인 국제 공동 프로젝트인 ITER의 목표는 순 에너지 이득, 즉 반응으로 얻는 에너지가 반응을 유지시키는 데 투입된 에너지보다 많아지는 것을 과학적으로 증명하는 데 있다. 이는 경제적인 발전소 건설을 위한 필수 전제 조건이다.

이러한 기술적 난관을 극복하더라도, 핵융합 발전이 기존의 화력 발전이나 핵분열 발전, 재생 에너지와 경쟁할 수 있는 수준의 발전 단가를 확보해야만 실제 에너지 시장에서 채택될 수 있다. 따라서 연구 개발의 궁극적인 목표는 안정적이고 지속 가능하며 경제적인 에너지원을 제공하는 것이다.

ITER는 프랑스 남부의 카다라슈에 건설 중인 국제 핵융합 실험로이다. 'International Thermonuclear Experimental Reactor'의 약자이자, 라틴어로 '길'을 의미하는 단어에서 이름을 따왔다. 이 프로젝트는 핵융합 에너지의 과학적, 기술적 타당성을 실증하는 것을 최종 목표로 한다. 2006년에 공식 협정이 체결되었으며, 유럽연합, 미국, 러시아, 일본, 중국, 인도, 대한민국 등 7개 회원국이 공동으로 건설과 운영을 주도하고 있다.

ITER의 핵심 장치는 토카막 방식의 초전도 자기장 가둠 장치이다. 주요 설계 목표는 500MW의 열출력을 400초 이상 유지하는 'Q=10'[14]을 달성하는 것이다. 이는 순 에너지 이득을 실험적으로 증명하는 첫 번째 장치가 될 전망이다. 장치는 중수소와 삼중수소를 연료로 사용하여 태양 중심부와 유사한 1억 5천만 도 이상의 고온 플라즈마를 생성하고 가둘 계획이다.

건설은 2010년대부터 본격화되었으며, 2025년까지 첫 플라즈마 생성을 목표로 하고 있다. 완공 후 본격적인 중수소-삼중수소 실험은 2035년경에 시작될 예정이다. ITER는 상용 핵융합 발전소의 설계와 건설에 필요한 핵심 데이터와 기술을 제공하는 '실증로'의 역할을 한다. 이를 통해 얻은 지식은 차세대 프로젝트인 DEMO(상용 실증로)로 이어질 것이다.

KSTAR는 한국원자력연구원 소속 국가핵융합연구소에서 운영하는 초전도 토카막형 핵융합 연구장치이다. '한국초전도핵융합연구장치'의 영문 명칭 'Korea Superconducting Tokamak Advanced Research'의 약자이며, 별칭으로 '인공태양'이라고도 불린다. 1995년 설계를 시작하여 2007년 완공되었으며, 2008년 6월에 첫 플라즈마를 발생시키는 데 성공했다. KSTAR의 주요 목표는 ITER와 같은 차세대 핵융합 장치의 상용화를 위한 핵심 기술을 개발하고, 장시간 고성능 플라즈마 운전을 실현하는 것이다.

KSTAR의 가장 큰 특징은 토카막의 모든 자기장 코일을 니오븀-주석 합금으로 제작한 초전도체를 사용한 점이다. 이를 통해 장시간 동안 안정적으로 플라즈마를 가둘 수 있는 기반을 마련했다. 또한, 플라즈마의 단면을 완전한 원형이 아닌 D형(사과 모양)으로 설계하여 플라즈마의 안정성과 성능을 높였다. 주요 연구 성과로는 2016년 3000만 도의 고온 플라즈마를 70초 동안 유지한 기록을 세웠으며, 이후로도 고성능 플라즈마 운전 시간을 지속적으로 연장해 왔다.

KSTAR는 국제 핵융합 연구 커뮤니티에서 중요한 역할을 수행하며, 특히 고성능 플라즈마 운전 모드인 H-모드의 물리 연구와 운전 제어 기술 개발에 기여하고 있다. 이 장치에서 얻은 실험 데이터와 기술은 국제 공동 프로젝트인 ITER의 성공적 운영을 위한 기초 자료로 활용되며, 궁극적으로 상용 핵융합 발전로 설계에 필요한 핵심 기술을 검증하는 플랫폼 역할을 한다.