요즈음 인공태양에 필요한 온도인 1억℃ 를 중국에서 약 17분동안 유지하는데 성공했다는 보도가 나왔다. 그 말이 사실이라면 그것은 큰 성과이며 인공태양의 상용화에 성큼 다가선 것이다.
인공태양(Artificial Sun)이라는 용어는 태양과 같은 핵융합 반응을 지구에서 구현하려는 인류의 기술적 시도를 의미한다. 태양은 핵융합 반응(Nuclear Fusion)을 통해 엄청난 에너지를 방출하는 천체인데, 과학자들은 이 에너지 생성 메커니즘을 지구에서 재현하여 무한에 가까운 청정에너지를 생산하는 것을 목표로 하고 있다.
이 글에서는 인공태양이 무엇이고 어떤 원리에 의해 작동하며, 최근의 연구 성과가 미래의 전망에 대하여 자세히 알아 볼것이다.
핵융합 발전이란?
핵융합 발전은 두 개의 가벼운 원자핵(예: 중수소와 삼중수소)을 융합하여 하나의 무거운 원자핵(예: 헬륨)으로 만들면서 거대한 에너지를 방출하는 과정이다. 이 과정에서 발생하는 에너지는 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc² 에 따라 질량 결손(Mass Defect)이 에너지로 변환되는 원리로 설명된다.
즉, 핵융합 발전은 태양에서 일어나는 반응을 모방하여 지구에서도 같은 방식으로 에너지를 생산하려는 기술이다. 이 기술이 완성되면, 화석연료 없이도 방대한 에너지를 얻을 수 있으며, 방사성 폐기물 문제도 거의 발생하지 않는다는 점에서 혁신적인 에너지원으로 평가받고 있다.
태양은 중심부에서 엄청난 압력과 온도로 인해 수소 원자핵들이 융합하면서 에너지를 생성한다. 태양의 중심 온도는 약 1,500만 ℃, 압력은 2500억 기압에 달하는데, 이런 극한 환경에서 수소 원자들이 빠른 속도로 움직이며 충돌해 융합 반응이 일어난다.
태양에서 가장 많이 일어나는 핵융합 반응은 수소 원자핵(양성자) 4개가 융합해 헬륨-4 원자핵을 형성하면서 에너지를 방출하는 과정이다. 이 반응 과정 중 중성미자(Neutrino)와 감마선(Gamma Ray)이 방출되며, 감마선이 태양 내부에서 외부로 이동하는 과정에서 점점 저에너지 광자로 바뀌어 결국 가시광선으로 방출된다.
이런 핵융합 반응이 태양 내부에서 연속적으로 일어나면서 거대한 에너지를 생성하고, 태양이 수십억 년 동안 빛을 내도록 만든다.
인공태양의 문제는 지구에서는 태양과 같은 중력과 압력을 만들 수 없다는 것이다. 태양에서는 엄청난 중력이 핵융합 반응을 유지할 수 있도록 도와주지만, 지구에서는 인공적으로 핵융합을 유도해야 한다. 이를 위해 과학자들은 두 가지 주요 기술을 개발했다.
첫 째 방식은 자기장 가둠 방식(Magnetic Confinement Fusion, MCF) 간단히 토카막(Tokamak) 방식이다. 이 방식은 플라스마 상태의 연료(중수소와 삼중수소)를 초강력 자기장으로 가두어 핵융합 반응을 일으키는 방식으로 대표적인 연구 프로젝트에는 ITER(국제핵융합실험로), KSTAR(한국형 인공태양), JET(유럽 공동 연구소)가 있다.
둘 째는 관성밀폐 핵융합(Inertial Confinement Fusion, ICF)으로 레이저 방식 이라고 한다. 강력한 레이저나 입자빔을 사용하여 연료 캡슐을 순간적으로 압축·가열해 핵융합을 유도하는 방식으로 대표적인 연구로는 미국 NIF(National Ignition Facility), 프랑스 LMJ(Laser Mégajoule)이 있다.
왜 인공태양이 필요한가?
현대 인류는 주로 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료에 의존해 에너지를 생산하고 있다. 그러나 화석연료는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
지구의 화석연료는 한정적이며, 21세기 중반 이후에는 매장량이 급격히 줄어들 것으로 예상된다. 석유 및 천연가스 매장지는 특정 국가에 편중되어 있어, 자원 분쟁과 국제 정세 불안정성을 초래한다. 그러나 핵융합 에너지는 중수소와 삼중수소 같은 연료를 사용하는데, 중수소는 바닷물에서 무한히 얻을 수 있어 고갈될 가능성이 거의 없다.
또 화석연료를 태우면 이산화탄소(CO₂)가 대량 발생하여 지구 온난화와 기후변화를 가속화한다. 그 결과 이상 기후 증가(태풍, 홍수, 폭염 등), 해수면 상승, 생태계 파괴 및 생물종 멸종 등의 심각한 문제를 야기시킨다. 그러나 핵융합 발전은 화석연료와 달리 CO₂를 전혀 배출하지 않으며, 기후 변화 문제를 해결할 수 있는 청정에너지원이다.
그리고 현재 원자력 발전소는 핵분열 방식을 사용하며, 고준위 방사성 폐기물을 발생시킨다. 하지만 핵융합 발전은 핵분열과 달리 방사성 폐기물이 거의 발생하지 않고, 핵폭발 위험도 없다.
핵융합의 원리와 특징
핵융합(Nuclear Fusion)은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 하나의 무거운 원자핵을 형성하면서 에너지를 방출하는 반응이다. 이 과정에서 일부 질량이 사라지며, 그 질량이 에너지로 변환된다. 이 원리는 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc²에 의해 설명된다.
자연계에서 핵융합을 일으킬 수 있는 가벼운 원소는 대부분 수소(H)이다. 수소의 동위원소 중 중수소(²H, Deuterium)와 삼중수소(³H, Tritium)가 가장 적합한 연료로 여겨진다.
중수소(²H)는 일반 수소와 달리 양성자 1개, 중성자 1개를 가진 수소 동위원소로 바닷물에 풍부하게 존재한다. 삼중수소(³H)는 양성자 1개, 중성자 2개를 가진 방사성 수소 동위원소로, 자연계에는 거의 없으며 리튬을 이용해 인공적으로 생성할 수 있다.
일반적인 핵융합 반응 중 가장 연구가 활발한 반응은 중수소-삼중수소(D-T) 핵융합이다. D-T 핵융합 반응식은
²H + ³H → ⁴He + n + 17.6 MeV 이 반응에서, 중수소와 삼중수소가 융합하여 헬륨-4(⁴He) 원자핵과 고에너지 중성자(n)를 생성한다. 이 과정에서 약 17.6 MeV(메가전자볼트)의 에너지가 방출되며, 이 과정에서 질량 결손(Mass Defect)이 발생한다. 즉, 반응 전 중수소와 삼중수소의 질량 총합이 반응 후 생성된 헬륨과 중성자의 질량보다 약간 더 크다. 이 차이만큼의 질량이 에너지(E)로 변환되며, 그 크기는 다음 공식으로 계산할 수 있다.
E = mc²이 공식에 따르면, 매우 작은 질량 차이도 어마어마한 에너지를 방출할 수 있다. 실제로 1g의 수소 연료로 발생하는 에너지는 약 240만 리터의 휘발유가 내는 에너지와 같다.
핵융합 반응의 조건
핵융합 반응이 일어나려면 극한의 조건이 필요하다. 연료인 중수소와 삼중수소를 초고온에서 가열하여 플라스마 상태로 유지해야 한다. 플라스마(Plasma)는 기체보다 더 높은 에너지를 가진 제4의 물질 상태로, 원자핵과 전자가 분리된 상태이다.
또 핵융합이 일어나려면 원자핵이 서로 강한 정전기적 반발력을 극복해야 하는데, 이를 위해 충돌 속도를 극도로 높이는 것이 필수적이다. 그래야 원자핵 간 충돌이 증가해 핵융합 반응 확률이 높아진다.
그리고 지구에서 핵융합을 인위적으로 발생시키려면 태양보다 훨씬 높은 온도(1억 ℃ 이상)가 필요하다. 그 이유는 태양 내부에서는 강력한 중력이 원자핵을 극도로 밀집시켜 상대적으로 낮은 온도에서도 핵융합이 일어난다. 하지만 지구에서는 태양과 같은 중력을 만들 수 없기 때문에, 원자핵이 충분한 속도로 충돌하도록 더 높은 온도가 필요하다.
태양 내부에서는 중력이 원자핵을 압축하여 핵융합을 지속할 수 있도록 돕는다. 하지만 지구에서는 이러한 강력한 중력이 없기 때문에, 인공적으로 핵융합을 유지하는 방법이 필요하다. 현재 연구 중인 핵융합 방식은 크게 두 가지다.
첫째, 자기장 가둠 방식 (Magnetic Confinement Fusion, MCF)으로 자기장을 이용해 초고온 플라스마를 가두어 핵융합을 유도하는 방식이다. 대표적인 실험 장치로는 토카막(Tokamak), 스텔러레이터(Stellarator)가 있다.
둘째, 관성 밀폐 방식 (Inertial Confinement Fusion, ICF)으로 초강력 레이저나 입자빔으로 연료를 순간적으로 압축해 핵융합을 유도하는 방식인다. 대표적인 연구소로는 미국 NIF(National Ignition Facility)가 있다.
인공태양을 만드는 기술
토카막(Tokamak) 방식
토카막(Tokamak, 토러스형 자기 가둠 장치)은 자기장을 이용해 플라스마를 도넛(토러스) 모양으로 가두는 방식이다.
이 개념은 1950년대 구소련의 물리학자들이 개발한 이후, 현재까지 가장 연구가 활발히 진행되고 있는 핵융합 장치이다.
토카막의 기본 원리는 강력한 자기장을 사용하여 플라스마(초고온 기체 상태)를 가두고 제어하는 장치인데, 전류를 플라스마 내부에서 유도하여 플라스마를 안정적으로 유지하고, 핵융합 반응이 지속되도록 한다. 플라스마가 용기 벽과 접촉하면 급격히 식어버리므로, 자기장으로 플라스마를 중앙에 띄워 놓아야 하는 어려움이 있다.
ITER (국제핵융합실험로, International Thermonuclear Experimental Reactor)는 세계 최대의 핵융합 연구 프로젝트로, 유럽연합, 미국, 러시아, 한국, 일본, 중국, 인도가 공동 참여해서 연구중이고, 프랑스 카다라쉬(Cadarache)에서 건설 중이며, 2035년경 본격적인 실험 예정으로, 500MW 이상의 출력 실현하기 위한 장치를 건설하고 있다.
KSTAR (한국형 초전도 토카막, Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 한국이 독자적으로 개발한 초전도 토카막 장치로써 2023년, 초전도 토카막 중 세계 최장 기록(30초 동안 1억 ℃ 초고온 플라스마 유지) 달성하였다. ITER의 연구를 보완하는 역할을 하며, 핵융합 상용화의 핵심 기술 개발 중이다.
JET (Joint European Torus, 유럽 공동 핵융합 연구소)는 영국에 위치한 유럽 공동 핵융합 연구소로, 1997년, 16MW 핵융합 출력 기록하였다.
토카막 방식은 핵융합 연구 중 가장 검증된 방식이고 여러 실험을 통해 플라스마 제어 기술이 지속 발전하고 있으며 에너지 생산 효율이 가장 높다.
그러나 플라스마는 극도로 높은 온도를 유지해야 하지만, 자기장 불안정성 때문에 쉽게 붕괴되어 자기장 제어 기술이 핵심 과제이다. 또한 1억 ℃ 이상의 초고온 플라스마를 가두는 장치 내부의 벽은 극한 환경에서 견뎌야 하므로 현재 텅스텐(W)과 같은 고내열 소재를 사용하지만, 장기 운용에는 한계가 있다.
강력한 자기장을 만들기 위해 초전도 전자석(Superconducting Magnets)이 필요하며, 이를 유지하는 데 많은 비용이 소요된다.
스텔러레이터(Stellarator) 방식
스텔러레이터(Stellarator)는 토카막과 유사한 자기장 가둠 방식이지만, 차이점은 자기장을 비틀어 플라스마를 자연스럽게 안정적으로 유지하는 것이다. 토카막과 달리 내부 플라스마 전류를 필요로 하지 않기 때문에, 플라스마 붕괴 위험이 상대적으로 낮다.
Wendelstein 7-X (W7-X, 독일)는 현재 세계 최대의 스텔러레이터 실험 장치로 2015년 독일 막스플랑크 플라스마 물리 연구소에서 가동 시작하여 2018년, 플라스마 유지 시간 100초 돌파하여 토카막보다 높은 안정성을 증명했다.
이 방식은 자기장 안정성이 높아 토카막보다 플라스마 붕괴 위험이 적고연속 운전 가능성이 커거 핵융합 발전소가 실현되면 토카막보다 더 지속적인 운전 가능할 것이다.
그러나 자기장을 비틀어야 하므로, 구조가 매우 복잡하고 제작 비용이 높고, 현재 연구 수준에서는 토카막보다 핵융합 반응률이 낮아, 에너지 생성 효율이 떨어진다.
관성밀폐 핵융합(Inertial Confinement Fusion, ICF) 방식
관성밀폐 핵융합(ICF)은 레이저나 입자빔을 사용하여 핵융합 연료를 순간적으로 압축·가열하여 핵융합 반응을 유도하는 방식이다.
대표적인 연구소 및 실험 장치NIF (미국 국립점화시설, National Ignition Facility)로 세계 최대 레이저 핵융합 연구소
로 2022년, 핵융합 에너지가 투입된 에너지보다 더 큰 출력(1.5배 이상) 달성한 세계 최초로 “점화(ignition)”에 성공했다.
관성밀폐 핵융합의 장점은 초고압 환경을 인공적으로 만들 수 있어서 태양 내부처럼 극한 조건을 구현 가능성이 있다. 그러나 초고출력 레이저 기술의 한계로 현재 기술로는 한 번의 실험에 어마어마한 전력이 소모되고 핵융합을 지속적으로 유지하기 어려운 점이 있다.
최근 인공태양 발전의 현황과 전망
한국핵융합에너지연구원의 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 2021년 1억 ℃의 초고온 플라즈마를 30초 동안 유지한 데 이어, 2022년에는 이를 48초로 연장하는 데 성공하였다. 이러한 성과는 한국이 핵융합 연구에서 선도적인 위치에 있음을 보여준다.
프랑스에서 건설 중인 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)는 2025년 첫 플라즈마 실험을 목표로 하고 있다. 현재 공정률은 57.4%로, 참여국들의 협력을 통해 순조롭게 진행되고 있다.
미국의 국립점화시설(NIF, National Ignition Facility)은 2022년 핵융합 에너지가 투입된 에너지보다 더 큰 출력을 달성하여, 세계 최초로 점화(ignition)에 성공하였다. 이는 핵융합 에너지 상용화에 한 걸음 더 다가섰음을 의미한다.
한국 정부는 2050년까지 핵융합 에너지 상용화를 목표로 핵융합에너지 실현 가속화 전략을 수립하였다. 이를 위해 총 1조 2000억 원 규모의 신규 프로젝트를 추진하며, 민간과 협력하여 핵융합 에너지 산업화 기반을 구축하고 전문 인력을 양성할 계획이다.
최근에 중국이 만든 인공 태양(EAST, Experimental Advanced Superconducting Tokamak)이 1억 도 이상의 초고온 플라즈마를 1066초(약 17분 46초) 동안 유지하는 데 성공했다고 한다. 기존 기록(403초)보다 2배 이상 긴 시간 유지하여 한국의 KSTAR(48초 기록)보다 훨씬 긴 시간동안 유지하여 세계 기록을 세웠다고 한다.
중국의 발표에 따르면 에너지 순 생산(Q > 1)을 달성하여 투입한 에너지보다 더 많은 에너지를 만들어냈다고 주장한다. 그런데 중국이 발표한 1억 도를 유지했다는 기록이 전자의 온도인지, 핵융합 반응을 실제로 일으키는 이온의 온도인지 불분명하다.
핵융합 반응의 핵심 주체는 이온(수소 원자핵)이다. 하지만, 전자는 이온보다 훨씬 가벼워서 같은 에너지를 가해도 더 쉽게 가열된다. 만약 1억 도에 도달한 것이 전자만이라면, 실질적인 핵융합 반응의 성과로 보기 어렵다. 하지만 전자의 온도가 높아지면 플라즈마 전류가 안정적으로 유지될 수 있어서 연구에 의미가 있기는 하다.
마무리
핵융합 에너지는 인류가 직면한 에너지 위기와 환경 문제를 해결할 수 있는 궁극적인 해답으로 여겨지고 있다. 태양이 수십억 년 동안 끊임없이 에너지를 방출하는 것처럼, 인공태양이 완성되면 우리는 무한한 청정에너지를 얻게 될 것이다.
현재 KSTAR, ITER, NIF 등의 연구 성과는 핵융합 발전이 더 이상 공상과학이 아니라 현실적인 대안임을 증명하고 있다. 물론, 아직 해결해야 할 기술적 난제들이 남아 있지만, 2050년 핵융합 발전 상용화를 목표로 한 연구가 꾸준히 진행되고 있는 만큼, 인류는 곧 핵융합 에너지를 실생활에서 활용할 수 있을 것이다.
아마도 우리는 가까운 미래에 인공태양이 만들어낸 에너지로 살아가는 시대를 맞이하게 될 것이다. 핵융합 발전이 가져올 변화는 단순히 새로운 에너지원의 등장에 그치지 않는다. 그것은 문명의 새로운 도약을 의미하며, 인류가 지속 가능한 미래로 나아가는 결정적인 전환점이 될 것이다.