미래를 배경으로 하는 SF영화를 보면, 미래 에너지에 대한 상상력이 총망라돼 있는데요. 아바타처럼 다른 행성에서 에너지 자원을 약탈하는 인류의 모습이 그려지기도 하고, 어벤저스에서 나오는 미지의 행성물질은 무한에 가까운 에너지를 방출하기도 하죠.
하지만 과학에 근거하며 실제에 가장 가까운 미래 에너지의 모습도 등장하는데요. 영화 아이언맨과 설국열차에서 소개된 ‘핵융합 에너지’는 앞으로 구현될 가능성이 높은 대표적인 미래 에너지랍니다.
▲ 설국열차 핵융합 엔진 사진출처: 예고편 캡쳐
설국열차에서는 수십 년 동안 멈추지 않고 달리는 열차의 비밀로 핵융합 엔진을 다뤘죠. 아이언맨의 강한 힘과 무한에 가까운 에너지 또한 가슴에 달린 작은 핵융합 원자로 덕분에 가능하다고 나오는데요. 영화 속 핵융합 기술, 아직은 엄청나게 크지만 현실에서 구현됐다는 사실 아시나요?
▲ 태양의 핵융합 반응 사진출처: 위키페디아(http://ko.wikipedia.org/wiki)
태양계에서 별은 태양 하나뿐이라는 것을 알고 계시죠? 별은 내부의 에너지 복사로 자기 스스로 빛과 열을 내는 천체를 뜻합니다. 별이 내는 에너지의 근원은 수소의 핵융합 반응입니다. 핵융합은 1억℃ 이상의 고온에서 가벼운 원자핵이 더 무거운 원자핵으로 융합되는 과정에서 에너지가 방출되는 과정이라고 보면 됩니다.
이러한 엄청난 에너지로 수소폭탄도 만들 수 있지요. 핵융합으로 만들어진 핵연료는 인체에 유해하다고 알려진 방사능은 적으면서 거의 무한에 가까운 에너지를 만들어낸답니다.
태양의 경우 앞으로 100억년 정도 핵융합으로 지금과 같은 열과 빛 에너지를 만들어낼 수 있다고 하는데요. 그렇다면 태양과 같은 별에서 활발하게 발생하고 있는 핵융합을 이용한다면, 인류가 꿈에도 그리던 깨끗하고, 오랫동안 사용할 수 있는 엄청난 양의 에너지를 얻을 수 있지 않을까요?
▲ 물질의 상태 사진출처: 위키페디아(http://ko.wikipedia.org/wiki)
현재 핵융합 기술의 가장 큰 문제는 ‘플라즈마’입니다. 플라즈마는 고온상태에서 음전하와 양전하가 분리되어 있는 기체 상태를 말합니다. 번개, 오로라, 대기 속의 이온층 등이 플라즈마 상태랍니다. 기체라고는 하지만 고체, 액체, 기체 등에 속하지 않는 제 ‘4의 물질 상태’로 여겨지고 있답니다.
정확히는 기체에 더 높은 에너지를 가해 생기는 상태라고 이해하면 좋을 것 같네요. 플라즈마는 핵융합을 위해 절대 빠질 수 없는데, 플라즈마 상태를 유지하는 것은 정말 어려운 일이랍니다.
▲ 플라스마 램프 안에서 만들어지는 플라스마 사진출처: 위키페디아(http://ko.wikipedia.org/wiki)
매우 변덕스런 플라즈마는 원자핵과 전자가 분리돼 있다가도 다시 기체 상태로 돌아가 버립니다. 현재 과학계의 가장 큰 이슈는 최대한 플라즈마를 오랫동안 잡아두는 것입니다. 플라즈마를 오래 잡아두면 둘수록 플라즈마 상태에서 핵융합을 더욱 오래 지속할 수 있기 때문이죠.
▲ KSTAR 진공용기 내부(출처: 우리나라핵융합연구소 홈페이지 https://www.nfri.re.kr)
플라즈마를 유지하는 기술이 보전된다면, 단순히 태양빛을 활용한 에너지가 아닌, 태양에서 일어나는 수소 핵융합 현상을 도입해 태양과 같이 무한에 가까운 에너지를 방출하는 인공태양을 만들어낼 수 있을 것입니다.
우리나라에서도 일찍부터 인공태양 연구에 뛰어들었는데요. 20년 전인 1995년도에 대덕연구단지에 ‘차세대 초전도 핵융합 연구장치’를 설치하고 연구에 착수했답니다. 2007년에는 세계 최초로 플라즈마 발생에 성공하며 핵융합 강국으로 떠올랐습니다. 또 200만℃의 플라즈마를 생성해 0.2초 동안 핵융합을 유지하는데 성공했답니다.
▲ 중수소-삼중수소(D-T) 핵융합 반응은 핵융합 발전의 가장 유력한 방식으로 여겨진다
(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki)
현재 우리나라의 핵융합 연구소는 3~5메가와트 급의 가열장치로 플라즈마를 생성하고 있습니다. 엄청난 장비와 수준이지만 플라즈마를 더 오래 지속하기에는 한계가 있습니다. 또한 핵융합으로 전기를 만들기 위해서는 삼중수소를 스스로 만들어 내는 발전기술도 필요합니다. 아쉽게도 아직까지 삼중수소를 만들어내는 기술이 없다고 합니다.
1g에 2700만원을 호가하며 금보다 비싸다고 알려진 물질. 자연계에서 존재하는 보통 수소보다 중성자가 2개 더 붙어 있어 그 무게가 3배 정도 무겁다하여 3중 수소라 불린다.
삼중수소 연구를 하고 있는 나라는 전 세계에서 다섯 손가락에 꼽을 정도입니다. 현재까지 진행상황을 보더라도 삼중수소를 자동적으로 만들어내, 핵융합에 응용하는 기술은 아직 갈 길이 멀어 보입니다. 인공태양 만들기는 아직 해결해야할 숙제가 많은 것 같습니다.
인공태양에 대한 이론은 정립됐지만 사용기술이 부족한 탓에 그 향방이 묘연하다는 것을 알 수 있었는데요. 하지만 우리나라 미래창조과학부는 2040년대에 핵융합 에너지 상용화를 목표하고 있다고 밝혔습니다. 이제 25년 남짓 남았네요. 그 안에 우리가 꿈꾸는 무한에너지, 인공태양이 완성될까요? 설국열차와 아이언맨 등 영화속의 상상이 현실이 될지 정말 궁금하네요.
아직은 먼 이야기지만 만약 인공태양이 구현된다면, 깨끗하고 무한에 가까운 에너지를 얻게 되는 건데요. 인공태양과 같이 환경오염 물질이 발생하지 않으면서 무한에 가까운 에너지를 활용할 수 있게 되는 꿈이 현실이 된다면 정말 좋겠지요?
‘한화케미칼’에서도 태양광 에너지를 우리 인류가 보다 효과적으로 이용할 수 있도록 투자와 개발을 아끼지 않고 있습니다. 태양광 사업으로 삶의 가치를 높이는 기술을 발전시켜 나가는 한화케미칼을 지켜봐주세요.