핵융합에 의한 인공태양은 에너지 숙제를 푸는 돌파구

지난 50억 년 동안 태양에서 나오는 엄청난 에너지로 지구생태계는 살아가고 있다. 만일 태양에너지가 없다면 우리들은 생존조차도 불가능했을 것이다. 그런데 세계 인류는 광합성으로 태양에너지를 저장한 각종 먹거리는 생존의 수단이며 그리고 이들 생물체들이 땅속에 오랜동안 묻혀 있던 화석연료를 사용하여 눈부신 과학문명을 누려왔다.

세계 인류는 이로 인하여 안락한 생활을 누려왔으나 최근에는 너무나 많은 화석연료를 사용하여 기후위기와 생태계 명종이라는 환경위기를 자초하게 된 것이다.

이런 환경위기를 해결하기 위해서 더 이상 화석연료를 사용하면 안 된다는 2015년 파리협정에서 전 세계 다함께 탄소배출 감축의무를 부담하는 새로운 기후변화협정을 체결하게 되었다.

즉 화석연료에서 배출되는 온실가스가 지구의 기온을 상승시켜 기후위기를 자초하게 되었고 환경오염물질이 배출되어 지구생태계를 멸종시키고 있는 것이다. 그래서 이제부터는 화석연료 사용을 중단시켜 나가야 지구환경을 되돌릴 수 있고 세계 인류는 지속적인 삶을 누릴 수 있다는 것이다. 그래서 우리 일상생활의 기반이 되는 화석연료는 더 이상 사용하지 못하고 이를 대신할 수 있는 대체 에너지원을 찾아내서 바꿔 나가야 된다는 것이다.

대체 에너지로서 가장 적합한 에너지는 현재 태양광발전이나 풍력발전 등 재생에너지로 이를 통하여 전기를 생산하여 화석연료를 대신하고자 한다. 그런데 햇볕이나 바람 등 자연력에 의해서 전력을 생산하기 때문에 너무나 간헐적으로 소량생산되기 때문에 대체 에너지로서는 역부족이라고 한다. 그래서 세계 각국들은 무탄소 청정에너지로 수소를 지목하고 수소를 바탕으로 하는 대체에너지를 만들어나가겠다고 하나 여기에는 많은 문제점이 가로놓여 있다.

이를 극복하기에는 많은 시간과 비용이 수반하기 때문에 냉큼 다가 설 수 없게 된 것이다.

이에 인간이 직접 만든 인공태양으로 이를 실생활에 활용해야 되겠다는 연구가 시작되었고ㅓ

이의 실현 가능성이 눈앞에 와 있다고 할 것이다.

만일 성공적으로 인공 태양이 만들어진다면 공짜로 세계 인류가 언제든지 얼마든지 활용할 수 있는 시대가 올 것이라는 기대를 갖게 한다.

태양은 지구로부터 1억 5천만 킬로미터나 떨어져 있다. 이 거리는 빛의 왕복 시간으로 16분 40초나 걸리는 먼 거리이다. 그런데 태양이 방출하는 에너지 중 1시간 분량이면 인류가 1년간 에너지 걱정 없이 사용할 수 있을 정도로 엄청난 양이라고 한다.

태양이 이런 막대한 양의 에너지를 방출할 수 있는 비결은 핵융합에 있다. 즉 태양에서는 4개의 수소 원자에서 1개의 헬륨원자가 만들어지는 핵융합 반응이 일어난다. 이때 질량결손이 일어난 만큼 에너지가 생성되는데, 매초 4×1026줄(joule)이나 된다. 즉 원자 폭탄의 에너지가 대략 100줄(joule)정도라니 이는 초당 4조 개의 핵폭탄을 동시에 터트릴 때 발생하는 에너지와 같다고 한다.

이런 에너지는 대기, 바다, 육지로 스며든 다음 일사 스펙트럼은 자외선 속에서 가시 범위와 적외선 범위 사이에서 거의 작은 부분으로 나뉘게 되어 지구 모든 생태계가 충족하게 생활할 수 있는 에너지원이 되고 있다. 그리고 이들 중에 일부는 수증기의 대류, 증발, 응결에 의한 태양 에너지를 흡수하면서 물로 순환되는 자원환경 변화를 일으키게 되는 것이다.

한편 바다와 토양이 받아들인 햇빛은 15°C 내외의 평균 표면온도를 유지하고 광합성을 통해 일어나는 태양에너지가 화학 에너지로 변환하면서 모든 생물체의 먹이감을 만들어 주고 있다.

사실 지구의 생명 현상은 광합성 식물과 미생물이 빛 에너지를 화학적인 에너지로 전환하면서 가능해진다.

그리고 그 잔여 에너지가 수천만 년 동안 변형되고 축적된 화석연료(석탄, 석유, 천연가스)가 현대 문명을 일으키는 원동력되어 편리하는 생활을 영위할 수 있게 되었다. 즉 세계 인류는 화석연료를 사용하여 태양에너지를 편리하게 사용할 수 있는 화학적 에너지로 전환 모든 자연과 생물 현상이 더욱 활발하게 움직일 수 있는 촉진역할을 담당하게 된 것이다.

이젠 이런 화석연료 사용을 중단시키고 화석연료를 대신할 수 있는 대체 에너지원을 찾아내서 이를 전환시켜 나가야 세계 인류가 지속적인 삶을 유지해 나갈 수 있게 되는 절박한 과제가 우리들에게 주어진 것이다.

국제에너지기구 (IEA)는 “2023년 세계 전력 수요 증가율은 2.2%이나 신흥국의 수요 증가와 에너지 집약적인 데이터센터, 인공지능(AI), 가상화폐에서의 전력 수요 증가로 2024~2026년에는 연평균 3.4%로 가속화돼 2050년까지 전 세계 전력 수요가 약 2배 증가할 것이다”라고 전망하고 있다.

세계 인류는 지구환경을 되살리기 위해서는 화석연료 사용을 중단시켜야 하고 이와 더불어 인공지능(AI)시대가 개막되면서 전력 수요가 크게 확대되면서 현재보다 2배나 되는 전력수요를 충족시켜 나가야 되는 시대가 개막되고 있는 것이다.

일부 전문가들은 4세대 원자로와 고온 수전해 방식을 개발하여 값싼 수소를 대량 생산할 수 있어 이를 활용한다면 무탄소 청정에너지 시대를 열어나갈 수 있다고 전망하고 있다. 그렇지만 4세대 원자로 기술개발도 이뤄지지 않았고 고온 수전해 방식도 개발되지 않은 상황에서 이를 제대로 상품화한다는 것은 2040년 이후에야 가능할 것이라고 전망하고 있다.

지구온난화로 기후변화가 극심하게 이뤄지면서 지금 당장 탄소배출을 중단해야 된다고 하는데 앞으로 20년이라는 세월을 그냥 지켜 볼 수는 없는 것이 세계 인류의 숙제로 남아 있다.

인공태양에 의해서 핵융합에 의해서 생산되는 전력은 2050년 이후에야 가능할 것이라고 전망하고 있다. 인공태양이란 핵융합 발전으로 이뤄지며 핵폐기물이나 온실가스를 발생시키지 않으면서도 에너지 효율이 높아 기후변화와 자원고갈 위기를 해소할 차세대 에너지로서 제격이라는 평가를 받고 있다. 더욱이 핵융합 발전을 위해 필요한 자원은 중수소와 삼중수소인데 이는 바닷물에서 쉽게 얻을 수 있다.

즉 바닷물 1L 속에는 0.03g의 중수소가 들어있으며 바닷물은 지구 면적의 71%를 차지하는 만큼 원료는 무한에 가까운 자원이라고 할 수 있다. 삼중수소는 흔하지 않은 자원이지만 핵융합로를 통해 ‘리튬’에서 분리, 생성할 수 있다. 리튬은 노트북이나 핸드폰 배터리에 흔히 사용되는 재료로 지구상에 비교적 풍부하게 매장돼 있다. 현재 바닷물에서 리튬을 채취하는 연구가 진행 중으로 고갈되지 않는 자원인 바다를 통해 중수소와 삼중수소를 모두 얻을 수 있는 길이 곧 열릴게 될 것이라고 한다.

핵융합 에너지 생산으로 발생한 폐기물은 원자력 발전보다 방사능 수치가 낮고 양도 적다. 그런데 원자력 발전으로 배출되는 방사성 폐기물의 양이 반으로 줄려면 약 100만 년이 걸리지만 핵융합에 사용되는 방사성 연료인 삼중수소는 약 12년이 소요된다.

핵융합 에너지의 장점은 친환경성과 자원의 무한성이다. 즉 무엇보다도 에너지 효율 면에서 다른 발전원에 비해 탁월하다. 즉 100㎏의 중수소와 3t의 리튬은 석탄 300만t이 생산하는 에너지를 만들 수 있고, 욕조에 반 정도 들어찬 바닷물과 노트북 배터리에서 중수소와 리튬을 추출하면 한 가정이 30년간 사용할 수 있는 전기를 생산할 수 있다.

현재 안정적인 기저 발전원으로 손꼽히는 핵분열 에너지의 경우 1㎏의 우라늄을 통해 200억㎉의 에너지를 얻을 수 있는데, 같은 양의 수소가 핵융합할 때 1500억㎉의 에너지가 발생하므로 7배 이상의 효율이 높은 셈이다.

대체로 과학계에선 핵융합 발전 상용화를 2050년으로 보고 있다. 영국은 2040년대 핵융합 실증로 건설을 목표로 프로그램을 추진 중이고, 미국 역시 2040년대 상용화를 목표로 핵심기술 개발을 추진하고 있디. 그리고 일본과 유럽은 2050년대 전력생산 실증을 목표로 중장기 목표를 수립·추진하고 있다.

우리나라 역시 지난 2021년 제4차 핵융합에너지개발진흥 기본계획을 바탕으로 2050년대 핵융합 전력생산 실증을 목표로 수립했다. 이에 따라 노심 플라스마 기술, 가열 및 전류구동 기술, 초전도자석 기술, 증식 블랑켓 기술, 디버터 기술 등 8대 핵심기술을 선정해 해당 분야를 중심으로 연구개발을 추진할 계획이다.

핵융합 기술의 발전은 우리 사회를 크게 바꿀 것이다. 안정적인 에너지 공급으로 에너지 부족 문제를 해결하고, 환경 문제를 해결하는 동시에 새로운 가능성을 제시하게 될 것이다.

만일 핵융합 발전이 성공하게 된다면 우리나라의 미래는 산유국을 부러워하진 않을 것이며, 오히려 핵융합 에너지로 인공태양을 만드는 새로운 산유국이 될 것이다. 결국 앞으로 세계 경제를 이끌어 나가는 국가는 핵분열 기술을 보유했느냐의 여부에 따라서 결정되는 시대가 곧 도래할 전망이라고 한다.