# 지구상 석유가 고갈되면?
땅속에서 솟아나는 검은 금은 무엇일까요?
정답은 바로 석유인데요, 얼마나 귀하디 귀한 자원이면 이러한 별명까지 붙었을까요? 석유는 과거에 땅속에 묻힌 생물이 고온과 고압에 의해 만들어지는 것으로 보고 있는데요, 꼭꼭 숨어있고 찾는 것이 어려운 귀한 자원이지요. 그렇지만 너무나도 유용해서 우리 생활 곳곳에 활용되고 있습니다. 석유를 정제하면 자동차, 비행기, 배와 같이 운송수단의 연료로 사용할 수 있는 휘발유와 경유, 등유 등으로 나눠지고요, 남은 찌거기들은 도로 위에 깔리는 아스팔트로 사용됩니다. 또 석유를 이용하면 생활에 필요한 플라스틱을 만들 수 있고, 합성 섬유를 얻을 수도 있어서 의류로도 사용됩니다. 또 태워서 나오는 열로 발전을 하여 전기를 생산하는데도 사용합니다. 이렇게 사용처가 다양한 석유가 과연 고갈되면 그 불편함은 정말로 크겠지요?
그러나 이러한 불편함 뿐만 아니라 지구온난화의 원인이 되는 이산화탄소가 나오는 것도 이 석유이기 때문에 전세계적으로 석유를 대체하기 위해 새로운 물질들을 찾고 있답니다. 특히 전기를 생산하는 발전분야에서는 석유를 대체할 방식을 찾고 있는데요, 태양광, 풍력, 조력등과 같은 자연의 힘을 이용한 발전뿐만 아니라 수소 에너지를 이용한 발전과 같은 여러 가지 형태가 연구 중에 있습니다. 그 중에는 핵융합 발전이라고 하는 다소 생소할 지도 모르는 발전방식이 있는데요, 오늘은 낯선 핵융합 발전과 친해져 보겠습니다.
# 수소+수소 = 헬륨
보기만 해도 행복한 느낌이 드는 금. 과거에도 모두들 금을 사랑하여 심지어 만들어 보겠다고 선언한 분들이 있으니, 바로 연금술사입니다.
과거의 연금술사들은 현자의 돌이라는 물질이 있으면 모든 물질을 금으로 만들어 낼 수 있다고 생각하여 현자의 돌을 만들기 위해 노력하였는데요, 이러한 노력은 현재 화학이라는 학문으로 발전하였습니다. 당시에는 금을 만들어 낸다는 생각이 터무니 없는 발상이었지만, 현대 과학에서는 다른 물질에서 금을 만들어 내는 것이 완전히 터무니 없는 발상은 아닙니다.
핵융합은 원자와 원자가 만나서 새로운 핵을 만들어 내는 반응입니다. 하나의 원자가 두 개의 원자로 나누어지는 핵분열과는 반대의 과정인데요, 이 반응을 이용하면 적절한 원자의 종류끼리 합쳐서 금을 만들어 내는 것도 가능합니다.
원자의 속을 자세히 들여다 보면 핵융합이 일어나는 과정을 이해하기 쉽게 이해 할 수 있습니다. 원자 내부에는 핵이 있고 이 안에는 중성자와 양성자라고 하는 작은 입자들이 있습니다. 이중 양성자의 수가 원자의 종류를 결정하게 되는데, 한 개가 있으면 수소가 되고 양성자 두 개가 있으면 마시면 목소리가 변하는 헬륨이 됩니다. 핵융합이 일어나게 되면 중성자와 양성자들이 합쳐지게 되면서 새로운 원자의 핵을 구성하는데요, 만약 양성자가 한 개인 수소가 합쳐지게 되면 하나의 헬륨이 생기게 됩니다. 마치 1+1=2처럼 말입니다. 이러한 핵융합 과정이 진행되면 아주 큰 에너지가 발생하게 되고, 이를 이용해 발전하는 것이 핵융합 발전의 핵심입니다.
이렇게 많은 에너지가 발생하는 핵융합 반응은 우리가 잘 아는 곳에서도 일어나고 있습니다. 바로 태양인데요. 이 안에서는 수소와 수소가 만나서 헬륨이 되는 핵융합 과정을 거쳐서 많은 열과 빛을 내고 있습니다. 이러한 유사한 반응이 핵융합 발전에 이용되고 있어 핵융합 발전시설의 별명이 인공태양이랍니다.
# 핵융합 발전, 너의 장점은 무엇이니?
핵이라는 무시무시한 용어가 있지만, 이름과 달리 장점이 많은 발전 방식이 핵융합 발전입니다. 이 발전 방식에는 일반적인 수소와 달리 조금 더 무거운 중수소라는 원소를 사용하는데요, 바다 속에는 이 중수소가 풍부하게 들어 있습니다. 전 세계에 있는 중수소를 모아서 발전하게 되면 현재 인류가 필요로 하는 에너지 양을 기준으로 약 4억 년 정도 사용할 수 있다고 하는데요, 엄청난 양이죠? 이 때문에 전문가들은 핵융합 발전이 상용화 될 경우 지구 상에서 에너지 문제는 더 이상 없을 것으로 보고 있습니다. 그리고 추출하는 데에 큰 어려움이 없어서 실제로 전기를 싸게 공급할 수도 있답니다.
또 최근 일본 대지진으로 전 세계적인 고민거리가 되고 있는 원자력 발전은 폐기물과 사고 시 나오는 방사능 때문에 말이 많습니다. 그러나 핵융합 발전은 이러한 방사능 공포가 없는 발전 방식입니다. 우라늄이나 플루토늄같이 원자력에서 사용하는 물질은 발전하면서 방사선이 발생하지만 핵융합 발전 시에는 이러한 방사선이 나오지 않아 안전합니다.
석유와 석탄과 같은 화석연료를 이용해 발전하는 화력발전은 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 배출하는 문제가 있어서 대체에너지를 찾고 있는데요, 중수소를 이용해 헬륨이 배출되는 핵융합발전 시설에서는 이러한 이산화탄소가 나오지 않아서 친환경 발전시설이라고 볼 수 있습니다.
# 빛나라 인공태양! : 현재 개발된 기술 및 문제점
이렇게 장점이 많은 인공태양, 핵융합 발전! 그렇지만 실용화 되기 위해서는 아직 넘어야 할 산이 있습니다. 새로운 발전 방식인 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 수소를 고체, 액체, 기체와 달리 제4의 상태로 불리는 플라즈마 상태로 만들어야 합니다. 이 상태를 만들기 위해서는 1억℃ 이상의 고온을 만들어야 하는데요, 전자레인지에서 분자를 흔들어 뜨겁게 해주는 원리를 이용해 온도를 높이고 있습니다.
또한 고온에서는 이것을 견디는 용기가 필요한데요, 현재는 토카막이라고 불리는 용기를 이용해 1억℃의 플라즈마를 담아두는 데에 성공을 했습니다. 그러나 현재 문제점은 이러한 온도에서 플라즈마를 안정적으로 유지하는 것이 어렵다고 합니다.
그래서 이를 해결하기 위해 전 세계적으로 연구가 진행 중이지만 미국과 일본, 유럽연합에서 운영했던 실험용 핵융합로에서도 5~10초 정도만 유지한 것으로 알려져 있습니다. 또한 국내에서도 실험용 핵융합로가 가동 중이고 현재까지는 플라즈마 발생에는 성공 했지만 유지하는 데에는 어려움을 겪고 있습니다. 그래도 포기를 모르는 세계적인 과학자 분들이 이를 해결하기 위해 대형 핵융합로인 ITER(국제열핵융합실험로, International Thermonuclear Experimental Reactor)를 건설해 많은 연구를 통해 해결책을 찾으려고 하고 있습니다.
어때요 핵융합 발전? 지금은 비록 실험용으로 아직 이렇다 할 성과가 없지만 먼 미래에 지구에 작은 인공태양이 전기를 발생시켜 준다고 생각하니 두근거리지 않나요?
* 참고문헌: 핵융합에너지 기술과 정책동향, 한국과학기술기획평가원
핵융합 발전 실용화 기술, 오상준, 조승연
국가핵융합연구소 (http://www.nfri.re.kr)