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ITER 7개국에 도전장 낸 작은거인 '스파크' 2035년 핵융합발전 불꽃 타오른다

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ITER 7개국에 도전장 낸 작은거인 '스파크' 2035년 핵융합발전 불꽃 타오른다

2020.10.16 06:00
커먼웰스퓨전시스템즈(CFS)가 개발중인 핵융합로 모식도. CFS 제공.
커먼웰스퓨전시스템즈(CFS)가 개발중인 핵융합로 모식도. CFS 제공.

미국 과학자들과 이들이 설립한 기업이 미래 청정에너지원으로 꼽히는 핵융합 에너지를 생산하기 위한 핵융합로를 2025년 풀 가동한다는 야심찬 비전을 내놨다. 2025년 완공해 2035년 풀 가동을 목표로 프랑스 남부 카다라슈에서 건설중인 국제핵융합실험로(ITER)보다 10년 앞서 풀 가동한다는 목표다. 핵융합에너지의 실현 가능성 검증을 목표로 2007년 건설이 착수된 ITER 프로젝트에는 한국을 비롯해 미국, 유럽연합(EU), 일본, 러시아, 중국, 인도가 참여하고 있다. 


미국 매사추세츠공과대학(MIT) 연구진과 스핀오프 기업 ‘커먼웰스퓨전시스템즈(CFS)’는 지난달 29일(현지시간) 국제학술지 ‘플라즈마 물리학 저널’에 2025년 풀가동이 가능한 핵융합로 ‘SPARC(스파크)’ 건설에 관한 연구 결과를 담은 7개의 논문을 발표했다. 


핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 현상이다. 원자핵이 융합하는 과정에서 줄어든 질량만큼 중성자가 튀어나오는데 이 때 중성자가 갖고 있는 엄청난 열에너지를 이용하는 게 핵융합에너지다. 


태양은 자체의 질량과 중력으로 핵융합 반응이 일어나는 조건인 플라즈마(원자핵과 전자가 분리된 기체) 상태를 스스로 만들 수 있다. 하지만 태양보다 훨씬 작아 큰 중력을 얻기 힘든 지구에서는 1억도의 초고온 플라즈마를 인공적으로 만들어야 핵융합 반응이 가능하다. 초고온 플라즈마를 ‘토카막’으로 불리는 도넛 형태의 핵융합 장치 내에 가두는 데 필요한 강력한 자기장을 낼 수 있는 초전도 자석이 필요하다. 


핵융합로 스파크는 약 5년 전부터 상용화된 ‘고온 초전도 자석’을 활용한다. 고온 초전도 자석은 절대온도(영하 273도)에 가까운 환경에서 구동되는 초전도 자석보다 비교적 높은 온도(영하 173도)에서도 구동된다. ITER 건설이 착수된 2007년에는 없었던 기술이다.

커먼웰스퓨전시스템즈(CFS) 연구원이 고온 초전도체의 케이블을 살펴보고 있다. CFS 제공.
커먼웰스퓨전시스템즈(CFS) 연구원이 고온 초전도체의 케이블을 살펴보고 있다. CFS 제공.

연구 논문을 발표한 마틴 그린월드 MIT 교수는 “고온 초전도 자석은 ITER 설계에 적용된 초전도 자석의 자기장 세기인 12테슬라보다 적은 부피로 훨씬 강력한 21테슬라의 자기장을 생성할 수 있다”며 “ITER의 초전도 자석보다 부피가 약 60~70배 작아 핵융합로 건설 비용은 물론 운영 효율 측면에서 게임 체인저가 될 것”이라고 설명했다. 


MIT 연구진과 커먼웰스퓨전시스템즈는 7개의 연구논문에서 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션과 계산 결과를 공개하고 2025년 핵융합 반응이 실제로 가능할 것으로 예측했다. 핵융합 에너지의 실현 가능 기준인 투입 에너지 대비 생산 에너지(에너지 증폭률)도 10배 이상 구현하는 것으로 나타났다.


연구진은 스파크를 통해 최소 250~1000메가와트(MW)의 전력을 생산할 수 있을 것으로 보고 있다. 한국 표준형 원자력발전소인 신월성 원전 1·2호기의 설비용량은 각각 1000MW다. 연구진은 2025년 스파크를 본격 가동하고 스파크에서 생산한 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전소를 2035년까지 구축할 계획을 세웠다. 그린월드 교수는 “핵융합 발전소는 화석 연료 발전소를 대체할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 

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