세계 1위 인공태양 기술 국가, 대한민국

안녕하세요,

한국이 차세대 에너지 원 중 하나로 주목받고 있는
'인공태양' 연구에서 세계 최고 기록을
또다시 경신했습니다.
인공태양이라는 거, 이름만으로는 감이 잘 오지 않는데
어떤 것이고 어떤 의미일까요?

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인공태양은 태양에서 일어나고 있는
핵융합 반응을 지구에서 재현해
그 열로 전기를 생산하자는 발상의 프로젝트입니다.
지구에서 태양과 똑같은 행융합 반응을 일으키기 위해서는
섭씨 1억 도 이상의 온도를 유지해야 한다고 합니다.
태양에서는 수소가 높은 압력과
1500만 도의 열에 의해 합쳐지면서 헬륨으로 변하고,
이 과정에서 엄청난 열 에너지가 방출됩니다.
그런가 지구에서는 높은 압력의 재현이 불가능하기에
그만큼 더 높은 온도인 1억 도 이상을 유지해야
수소 원소가 합쳐지는 핵융합 반응이 일어날 수 있습니다.

한국행 융합에너지연구원은 한국형 인공태양(KSTAR)에서
1억 도 이상의 초고온 플라스마를 30초 유지하는 데 성공했습니다.
이게 장시간 유지될 수 있게 하고, 전기 생산으로 이어지도록 하는 게
한국형 인공태양 연구의 핵심입니다.
수소라는 값산 무공해 에너지원을 사용하기 때문에
핵·화석연료 발전을 대체할 수 있는
주요 기술로 주목을 받고 있습니다.

한국은 2018년에 세계 각국 중에서 처음으로
1억 도의 온도를 맞추는 데 성공했고,
유지 시간도 지난해에 20초, 올해는 30초 등
기록을 경신하면서 세계 최고의 기술을 자랑하고 있습니다.
오는 2026년까지 300초의 벽을 돌파한 후
2040년에 최초로 발전소 건설 및
상용화에 들어가겠다는 것이 우리의 계획입니다.
전 세계 6개국과 함께
국제행 융합 실험로 건설 프로젝트도 추진하고 있는데
한국의 KSTAR가 기본 모델이 되고 있습니다.

KSTAR는 완전 초전도 *토카막 방식입니다.
(*초전도 자석으로 초고온 플라스마를 가두는 밀폐용기)
1억 도의 불꽃을 가둘 수 있는 물질은 이 세상에 없습니다.
이에 따라 초전도 자석으로 자기장을 발생시킨 후
자기장을 이용해 불꽃을 공중에 띄워 놓는다는 얘기입니다.
온도는 중성입자빔 가열 장치를 사용합니다.
이온 입자를 높은 에너지로 가속시켜서 열을 내고
이를 플라스마 내부로 전달하는 방식입니다.
그래서 생긴 것도 가운데가 뚫려있는 도넛 모양이죠.

또 다른 방식으로는 꽈배기처럼 비비 꼬여있는
'스텔러 레이터' 장치가 있습니다.
토카막 방식은 강력한 자기장의 힘으로
플라스마 용기의 양쪽을 밀봉하는데,
양쪽 끝의 자기장 손실이 크다는 단점이 있습니다.
스텔러 레이터 장치는 자기장을 꼬아서
플라스마 입자가 도넛 모양 트로이 드의
안쪽과 바깥쪽을 오가면서 회전하게 되므로,
자기장 손실률을 줄일 수가 있습니다.

지표면을 녹이고 흐르는 마그마의 온도는 섭씨 1200도,
강철을 녹이는 용광로의 내부 온도도 1500도 남짓입니다.
그렇다면 1억 도가 넘는 핵융합로의 내부는
어떤 물질로 이루어져 있을까요?
KSTAR의 경우 불꽃이 공중에 떠 있기 때문에
융합로 시설이 직접 닿지는 않습니다.
그래도 내부 시설물이 견뎌내야 할 온도는
수천 도를 가볍게 넘을 것입니다.
지구 상에서 가장 높은 녹는점을 가진 원소는 '탄소'로
약 3642도까지 견뎌낼 수 있습니다.
이에 따라 현재 KSTAR 내부에는 탄소로 만들어진
디버터가 장착되어 설비를 보호하고 있습니다.
그러나 탄소의 경우 사용이 누적되면
행 융합로의 연료와 마찬가지인 중수소와 결합되어
메탄 불순물로 전환된다는 단점이 있습니다.
즉, 촛불처럼 그을음이 발생한다는 뜻입니다.

이에 최근 대안으로 떠오른 것이 바로 텅스텐입니다.
텅스텐은 녹는점은 탄소보다 다소 낮은 3422도지만
금속 원소 중에서는 가장 높습니다.
또 초고온에서 플라스마로부터 쏘아져 나오는
중성자에 의한 손상이 적고 침식 저항성이 높으며,
낮은 방사화 등의 장점을 갖고 있습니다.
이에 따라 이미 세계의 여러 행융합 장치에서 선택받았죠.
우리나라 등 7개국이 건설 중인 국제핵융합로(ITER)도
일부를 텅스텐으로 채택했으며,
독일의 행융합장치 ASDEX-업그레이드, 중국의 EAST 등도
마찬가지입니다.
한국의 KSTAR도 현재 탄소 디버터 대신
텅스텐 디버터로 교체 중입니다.

텅스텐은 스웨덴어로 무거운 돌이라는 뜻이며,
기존에도 우수한 내열성, 적은 열팽창, 낮은 증기압 등의 장점에다
인장강도가 가장 높은 원소로 여러 곳에서 쓰이고 있습니다.
백열전구의 필라멘트가 대표적인 텅스텐 소재입니다.
또 다른 금속과 섞으면 엄청난 강도를 자랑해
연마제, 드릴 등 절단기 재료는 물론
로켓이나 미사일의 엔진 노즐, 방사선 차폐제 등에도 쓰입니다.
탱크나 대포, 미사일 등 군사용으로도 많이 쓰여
각국은 텅스텐을 전략 물자로 분류해
수출 및 사용을 제한하고 있습니다.

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아직까지 다른 나라들의 기술로는
1억 도 유지 시간이 7~8초밖에 되지 않는다고 하니,
우리나라의 기술이 얼마나 뛰어난지 짐작이 가시죠?

이런 좋은 기술을 지속적으로 발전시켜서
효율성 있게 실제로 사용을 해야 할 텐데,
우리는 현재 그 훌륭한 원자력 기술을 보유하고 있음에도
전기난을 걱정해야 하는 아이러니한 현실이죠.