ITER : 세계 최대 핵융합로 조립 시작 (1) "500메가와트의 열에너지로 20만 가구에 에너지 공급"

편집국 기자 / 기사승인 : 2020-07-29 13:12:21
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1985년 소련 지도자 고르바초프가 핵융합 공동 프로겍트 제안. 레이건(미 대통령)과 미테랑(프랑스 대통령)이 합의 독일 막스플랑크 연구소에서 초기 모델 제작 시작.

ITER : 세계 최대 핵융합로 건설 시작
500메가와트(MW)의 열에너지를 생산하는 ITER 핵융합 시설


지상 최상급 프로젝트 :
오늘(7월 28일) 핵융합으로 에너지를 생산하기 위한 국제 파이오니어 프로젝트 ITER 핵융합 원자로의 조립작업이 출발을 알렸다. 전 세계에서 수 톤의 무게를 가진 부품이 프랑스 남부로 운송되어 복잡한 계획에 따라 조립된다. 2025년부터 ITER는 융합이 시작된 후 첫 번째 플라즈마를 생성하고 500MW(메가와트)의 열에너지를 생산한다는 계획이다.

▲ ITER 융합 반응기는 2025 년부터 플라즈마를 생성한 다음 핵융합을 발화시킬 것으로 예상된다. 이 종류의 가장 큰 원자로이며 새로운 에너지 생성시대를 열 수 있다. © ITER


ITER는 ‘International Thermonuclear Experimental Reactor’의 줄임 단어다.
라틴어로는 ‘Weg(길)’을 의미한다. 이것은 핵융합 원자로이며 핵융합 에너지에서 전기를 생산하겠다는 장기 목표의 국제 연구프로젝트이다. 원자로는 토카막(tokamak) 원리에 기반을 두고 있으며 2007년 부터 프랑스 남부의 카다라슈 원자력 연구 센터에서 건설 중이다.

이니셔티브는 1985년, 미하일 고르바초프의 제안

당시 소련의 지도자 미하일 고르바초프(Mikhail Gorbachev)가 프랑수아 미테랑(François Mitterrand, 프랑스 대통령), 로널드 레이건(Ronald Reagan, 미국 대통령)과의 대화에서 핵융합 연구에 협력하고 원자로를 건설하자는 제안을 했다.

1988년 독일 Max Planck Institute for Plasma Physics에서 계획이 시작되었고, 1990년에 실험용 반응기의 첫 번째 설계가 이루어졌다. 1998년까지 기본 데이터 8.1m의 큰 원환 체 반경과 1500MW의 융합력을 가진 초안 ‘ITER I’이 개발되었다.

주요 연구 분야는 플라즈마 가열, 진단 및 제어를 위한 다양한 방법 및 설계와 삼중 수소 부화를 위한 다양한 *Blanket-설계의 테스트다. 플라즈마는 최대 1시간 동안 연소돼야 하며, 얻은 융합 전력은 가열 출력을 여러 번 초과해야 한다.

이전의 JET에 비해 ITER는 훨씬 크고 초전도 자기 코일이 장착되어 있다.
현재 계획이 차질없이 진행되면, 2025년 12월에 처음으로 수소 플라즈마가 생성될 것이다. 2035년경부터 삼중 수소를 사용해 실험이 보다 현실적이 되었지만 중성자선으로 인해 더 어려워졌다.

*블랑켓: 핵융합로에서 노심 플라스마 용기를 둘러싸고 있는 부분. 핵융합로에서는 이 부분에 리튬을 포함하고 있고, 이 리튬은 핵융합 반응에서 발생하는 중성자와 반응하여 삼중 수소를 생성한다.

▲ 초기 JET magnetic fusion experiment in 1991.


ITER는 27개 EU 국가와 스위스, 미국, 한국, 중국, 일본, 러시아 및 인도를 대표하는 7개의 동등한 파트너가 공동연구 프로젝트로 개발, 건설 및 운영하고 있다.
미국은 1998년부터 2003년까지 프로젝트에서 일시적으로 철회했으며, 2004년 이후 캐나다는 참여하지 않았다. 전문가 수준에서의 협력은 국제 원자력기구(IAEA)와 2008년 ITER 프로젝트간에 합의되었다. 쟈크 쉬락(Jacques Chirac) 프랑스 대통령은 이 프로젝트를 국제 우주 정거장 이후 가장 큰 과학 프로젝트로 설명했다.

▲ ITER 국제 연구프로젝트 참여 국가


핵융합은 별들에게 에너지를 공급하는 원리이고 지구의 미래 에너지로 간주 된다.
그러나 원자핵을 융합시키기 위해서는 극도의 열과 압력이 필요하다.
융합 플라즈마는 모든 벽을 통해 연소되므로 강한 자기장에 의해서만 제한될 수 있다.
지금까지 이러한 플라즈마의 생산은 ‘Wendelstein 7-X’와 같은 몇몇 연구 원자로에서만 성공했다.

ITER : 완전히 새로운 규모의 핵융합

이제 새로운 시대가 시작될 수 있다.
세계 최대의 핵융합 원자로 ITER의 건설은 프랑스 남부 카다라슈에서 시작되는데, 핵융합에서 처음으로 전기를 생산하는 발전소다. ITER는 소위 토카막의 구성 원리를 기반으로 한다. 이 시스템 버전에서, 플라즈마는 링 형태의 다층 자기장에 의해 만들어진다.

▲ ITER은 프랑스 남부 카다라슈에 있다. 


전 세계에 이미 여러 개의 Tokamak 연구 원자로가 있지만 그 중 어느 것도 아직 점화 지점에 도달하지 못했다. 점화지점은 플라즈마에서 핵융합이 외부에서 추가 에너지를 공급하지 않고 자체적으로 계속되는 지점이다. ITER는 이것을 달성해야 한다.
EU 외에 한국, 중국, 일본, 미국, 러시아, 인도 등 35개국이 이 대규모 프로젝트에 참여하고 있다. 지난 5년 동안 그들은 공장과 연구 시설에서 거대한 시스템의 구성 요소를 설계했다.

전 세계의 구성 요소

ITER 조립이 시작된 곳은 프랑스 남부 카다라슈에 있다.
이를 위해 전 세계 최초의 부품이 지난 몇 개월 동안 이미 프랑스에 도착했으며 앞으로 몇 주 및 몇 달 안에 더 많은 부품이 출시될 것이다. ITER의 일부 구성 요소는 무게가 천 톤 이상이며 진공 챔버 및 저온 유지 장치(시스템을 단열하는 데 사용되는 케이스)와 같은 것은 높이가 30미터 이상이다. 이것은 가장 큰 스테인레스스틸 챔버다.

마이너스 269도로 냉각되고 플라즈마 포획을 유지해야 하는 3가지 유형의 초전도 자석과 같은 다른 ITER 구성 요소는 크고 복잡하다. 가장 강력하고 큰 것은 6조각으로 구성된 솔레노이드이다. 자력으로 전체 항공 모함을 들어 올릴만큼 강력하다.
솔레노이드는 반응기의 "하트 비트"인 길고 규칙적인 자기 펄스를 생성한다.
18개의 토로이드 형 및 6개의 폴로이드 형 자기 코일도 있다.

▲ 조립이 시작되기 전 ITER 시스템의 모습. 이곳의 위치(주소) 13115 St. Paul Lez Durance, Frankreich © ITER


"스위스 시계의 정확성으로"

Bernart Bigot의 ITER 사무국장은 “이 기계를 한 조각씩 조립하는 것은 3차원 퍼즐을 구성하고 복잡한 일정을 따르는 것과 같다"고 설명한다.
이 기계를 조립할 때 프로젝트 관리, 시스템 기술, 위험 관리 및 물류의 모든 측면은 스위스 시계의 정밀도와 함께 작동해야 한다.
"건설이 완료되면 ITER는 백만 개 이상의 개별 구성 요소로 구성되어 최대 규모 중 하나가 된다. 그리고 세계에서 가장 크고 복잡한 기계가 될 것이다.

천장 레일에 매달려 밀리미터 정밀도로 무거운 부품을 들어 올릴 수 있는 2개의 750톤 크레인이 거대한 홀에서 조립된다. 초전도 자석을 냉각시키기 위한 액체 헬륨이 생성되는 냉각 시스템은 거의 완성되었다. 전 세계에서 가장 큰 극저온 시설 중 하나다.

▲ 2018년 6월 : Tokamak 홈이 임시 지붕으로 폐쇄되어 설치가 내부에서 수행 될 수 있다. photo : ITER 홈페이지


2025년 12월 최초의 플라즈마

모든 것이 계획대로 진행된다면, ITER는 2025년 12월에 핵융합을 시작하기 위한 예비 단계와 전제 조건인 첫 번째 플라즈마를 생성한다. 이것은 중수소와 삼중 수소 플라즈마가 적어도 1 억 5천 만도(℃)까지 가열될 때만 일어난다. 그것은 태양의 핵심보다 10배 더 뜨겁다.
ITER 진공 용기에는 기존 Tokamak 융합 시스템보다 840입방 미터의 플라즈마가 들어 있다.

융합이 원자로에서 시작되면, ITER는 500메가 와트의 열에너지를 공급할 수 있다.
융합 반응기에 의해 생성된 열은 물을 증발시켜 증기 터빈을 구동시켜 전기를 생성하는 데 사용된다. 이론적으로, 이 핵융합로는 약 20만 가구에 충분한 200MW(메가와트)의 전기를 공급할 수 있다.  (계속)

 

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