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中, 핵융합 잰걸음…상용화 관건 ‘플라스마 1억도’ 달성

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中, 핵융합 잰걸음…상용화 관건 ‘플라스마 1억도’ 달성

2018.11.13 17:14

中 핵융합실험로 EAST, 플라스마 전자로 1억도 도달
日만 1억도 공식 인정…韓, 내년 말 달성 목표
전문가들 "핵융합선 전자 아닌 플라스마 이온 온도 중요"

 

중국과학원(CAS)의 핵융합실험로인 ‘실험용고성능초전도토카막(EAST)’. - 중국과학원 제공
중국과학원(CAS)의 핵융합실험로인 ‘실험용고성능초전도토카막(EAST)’. - 중국과학원 제공

중국이 핵융합에너지 개발의 핵심 진입장벽으로 여겨졌던 ‘플라스마 1억 도 달성’에 성공했다. 무한히 얻을 수 있는 수소를 이용해 자원 고갈 우려가 없고 친환경적인 핵융합에너지를 2050년대에 실용화해 화석연료를 대체하겠다는 중국의 목표에 한 걸음 더 다가선 셈이다.

 

12일(현지 시간) 중국과학원(CAS)은 “‘실험용고성능초전도토카막(EAST)’을 이용해 플라스마를 섭씨 1억 도까지 가열하는 데 성공했다”며 “핵융합로의 안정적인 운영에 필요한 최소한의 요구 조건을 충족시켰다”고 밝혔다. 다만 1억 도의 플라스마를 몇 초간 유지했는지는 공개하지 않았다.
 
핵융합에너지는 무한에 가까운 태양에너지의 근원인 핵융합 반응을 인공적으로 일으켜 이때 나오는 열에너지로 전력을 생산하는 것을 말한다. 핵융합로가 ‘인공태양’으로 불리는 이유다.
 
플라스마는 고온·고압에 의해 원자의 원자핵과 전자가 분리된 기체 상태로, 태양의 중심에선 플라스마 상태의 수소 원자핵(이온)들이 핵융합 반응에 의해 헬륨 원자가 되면서 에너지를 방출한다. 토카막은 자기장을 이용해 도넛 모양의 진공용기에 입자를 가두고 온도를 높여 플라스마 상태로 만든 뒤 핵융합 반응을 유도하는 장치다.
 
핵융합에너지 상용화의 최대 관건은 핵융합 반응이 잘 일어나도록 1억~2억5000만 도 수준의 고온 플라스마를 장시간 안정적으로 유지하는 것이다. 태양은 중력으로 수많은 입자들을 중심에 가두고 있기 때문에 상대적으로 낮은 1000만 도에서도 충돌수가 많아 핵융합 반응이 잘 일어난다. 반면 핵융합로의 경우 일정 수준 이상 입자 수를 늘리기 어려워 태양보다 훨씬 높은 반응 온도가 필요하다. 입자의 운동에너지를 높여 충돌수와 핵융합 반응 확률을 높이는 것이다.
  
핵융합에너지를 개발하려는 세계 각국은 플라스마 온도를 1억 도 이상으로 높이는 데 총력을 기울이고 있다. 중국의 EAST와 경쟁 관계인 국가핵융합연구소의 세계 첫 초전도토카막인 ‘한국형초전도핵융합실험장치(KSTAR)’도 내년 말 1억 도 수준의 플라스마를 10초 이상 유지하는 것을 목표로 하고 있다. 이런 가운데 중국이 먼저 1억 도 달성에 성공했다고 밝힌 것이다.

 

중국이 ‘실험용고성능초전도토카막(EAST)’을 이용해 플라스마 온도를 1억 도까지 높이는 데 성공했다. 다만 핵융합 반응을 하는 이온이 아닌 전자의 온도를 높인 결과다. - 자료: 중국과학원
중국이 ‘실험용고성능초전도토카막(EAST)’을 이용해 플라스마 온도를 1억 도까지 높이는 데 성공했다. 다만 핵융합 반응을 하는 이온이 아닌 전자의 온도를 높인 결과다. - 자료: 중국과학원

그러나 중국의 1억도 달성은 핵융합 반응을 하는 플라스마 이온이 아닌 플라스마 전자의 온도다. 윤시우 핵융합연 KSTAR 연구센터장은 “인위적으로 1억 도 가열에 성공했다는 점에서는 고무적이지만, 고온의 전자는 핵융합 반응에 큰 도움이 되지 않는다”며 “이온의 온도는 높으면 높을수록 좋지만, 전자의 온도는 오히려 낮을 때 핵융합 반응률이 더 높다”고 설명했다.

 

도달 온도뿐 아니라 고온 유지 시간도 중요한데 중국은 얼마나 오랜 시간 고온을 유지했는지는 밝히지 않았다. 아직까지 1억 도 이상의 플라스마 이온을 10초 이상 유지한 사례는 없다. 앞서 일본이 토카막 방식이 아닌 다른 핵융합 장치로 플라스마 이온의 온도를 1억 도까지 높인 적은 있지만 단 1~2초에 불과했다.
 
앞서 지난해 중국은 EAST를 이용해 고성능 플라스마 운전 조건인 ‘H-모드’를 세계 최장시간인 101.2초간 연속 유지하는 데 성공했다고 밝힌 바 있다. 그러나 당시 플라스마의 온도도 4000만 도에 불과했다. 한국이 KSTAR로 72초 기록을 세웠을 당시 온도(7000만 도)보다 훨씬 낮았다. 

 

다만 중국이 미래 에너지 개발을 위해 국가 차원에서 막대한 투자를 아끼지 않고 있다는 점에서 20~30년 뒤에는 한국을 제치고 세계 핵융합에너지 기술을 선도할 것이라는 게 전문가들의 일반적인 견해다. 중국은 늘어난 전력 수요와 대기오염, 기후변화 같은 환경 문제를 해결하기 위해 연간 10억 위안(약 1634억 원)을 핵융합에너지 연구에 투자하고 있다. 한국과 유럽연합(EU), 중국, 일본, 미국, 러시아, 인도 등 7개국이 공동으로 추진 중인 ‘국제핵융합실험로(ITER)’ 프로젝트뿐만 아니라 자체적으로 핵융합 실증로인 ‘중국핵융합공정실험로(CFETR)’ 건설도 추진 중이다.

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