3'10"읽기+8'00" 영상
* 복잡한 테스트 시스템에는 약 백만 개의 부품과 35개국의 노하우와 자금 필요
* ITER 컨소시엄에 따르면 이에 필요한 작업의 약 78% 완료
* 모든 것이 순조롭게 진행되면 2025년 처음으로 ITER 토러스의 진공 챔버에서 플라즈마 생성
* 손익분기점 Q값 10에 도달해야 함, 현재 영국기술 Q값 0.67이 최고 기록

ITER 핵융합로, 미래의 에너지가 될 수 있을까?

ITER 핵융합로는 핵융합의 연구와 사용을 결정적인 단계로 발전시켜 태양과 같은 에너지원을 만들도록 고안됐다.

실제로 어떤 모습일까?
ITER는 어떻게 작동할까?
복잡하고 거대한 시스템은 무엇을 할 수 있으며 어떤 문제를 더 해결해야 할까? 

▲ 2020년 11월 ITER 건설 현장의 항공 사진. 2021년 7월까지 작업의 78%가 완료된다. © ITER

지금까지 수행된 가장 야심찬 프로젝트 중 하나는 현재 프랑스 남부의 Cadarache(카다라쉬)에서 건설 중인 ITER 핵융합로다. 복잡한 테스트 시스템에는 수백만 개의 부품과 35개국의 노하우와 자금이 필요하다. 이것은 핵융합으로 에너지를 생산하는 기초기술을 처음으로 대규모로 시험하기 위한 것이다. ITER는 플라즈마 가열에 사용되는 것보다 10배 더 많은 에너지를 생성하는 지구 최초의 시스템이 될 것이다.

이러한 테스트는 미래의 에너지 생성에 무엇을 가져다줄까?
그 과정에서 아직 극복해야 할 문제는 무엇인가?
ITER이 미래 핵융합 에너지로 가는 길에 어떤 경쟁자가 있는가?

▲ ITER은 역사상 가장 큰 핵융합로이며 사상 처음으로 손익분기점을 넘을 것으로 예상된다. © ITER

ITER, 세계 최대 핵융합로의 목표  

36년 동안 약 100만 개의 개별 부품을 계획, 준비 및 제조한 끝에 ITER 핵융합로 건설이 이제 한창이다. 2020년 7월부터 이 거대 프로젝트의 35개 회원국에서 생산된 부품은 프랑스 남부의 카다라슈에 서서히 도착해 공장에 설치될 예정이다.

첫 번째 플라즈마로 가는 길에

모든 측정 장비를 포함한 핵융합로가 3년 안에 완공되어 가동되어야 한다.
ITER 컨소시엄에 따르면 이에 필요한 작업의 약 78%가 이미 완료되었으므로 코로나 팬데믹 및 관련 지연에도 불구하고 일정을 준수할 수 있다. 1000톤 및 18미터 높이의 중앙 솔레노이드 자석의 첫 번째 모듈은 현재 시스템의 핵심인 미국에서 프랑스로 이동 중이다.

모든 것이 순조롭게 진행된다면 2025년 처음으로 ITER 토러스의 진공 챔버에서 플라즈마가 생성될 것이다. 이 도넛 모양의 링은 현재까지 제작된 가장 큰 핵융합 장치보다 10배 더 많은 800㎥(입방미터) 이상의 플라즈마 부피를 보유하고 있다. 그 이유는 플라즈마가 더 많이 압축되어 필요한 온도인 1억 5천만 도에 도달할수록 전자에서 분리된 더 많은 원자핵이 플라즈마 구름에서 서로 빠르게 경쟁하기 때문이다. 이것은 충돌 가능성을 증가시키고 따라서 가능한 핵융합의 수와 그에 의해 생성되는 에너지를 증가시킨다. 

▲ 한국은 86개 주요 품목 중 진공용기 본체, 열차폐체 등 10개를 공급한다. (사진은 아래 동영상 스크린 샷)

"손익분기점“

이것이 바로 중요하다. ITER은 이전에 지구상의 다른 어떤 핵융합로도 달성하지 못한 일, 즉 "손익분기점" Q에 도달하고 이를 극복해야 한다. 핵융합로의 플라즈마가 외부에서 공급되어 가열되는 만큼의 에너지를 방출하는 순간을 표시한다. 이 문턱은 핵융합을 통한 에너지 생산으로 가는 길에 중요한 첫 번째 장애물로 여겨진다.

이렇게 하려면 핵융합로가 세 가지 기준을 충족해야 한다.
첫째, 원자핵이 충돌 중에 필요한 에너지를 가져올 수 있을 만큼 충분히 빠르게 움직이도록 1억 도 이상의 온도에 도달해야 한다. 그래야만 핵융합이 발생한다.
둘째, 입자 밀도는 충돌이 가능하도록 충분히 높아야 한다.
셋째, 플라즈마는 필요한 열과 밀도로 충분히 오랫동안 유지되어야 한다.

문턱을 넘어

영국의 JET(Joint European Torus)가 지금까지 손익분기점에 가장 근접했다.
이 핵융합 반응기는 ITER과 유사한 원리로 작동하지만 직경이 약 3미터인 플라즈마 챔버로 훨씬 더 작다. 1990년에는 24메가와트의 난방 에너지 입력으로 몇 초 동안 16메가와트의 에너지를 생성했다. 이것은 0.67의 Q 값에 해당한다. 이 기록은 현재까지 깨지지 않았다.

ITER은 이 기록을 깨뜨릴 뿐만 아니라 10의 Q-팩터도 달성해야 한다.
시스템에 50메가와트의 가열 전력이 제공되면 회전하는 플라즈마의 핵융합이 열 형태로 10배 더 많은 에너지를 방출해야 한다. 500메가와트. ITER은 태양과 모든 별을 빛나게 하는 과정인 원자핵을 융합하여 그러한 양의 에너지를 생산하는 최초의 인공 시스템이 될 것이다.

이것은 무엇보다도 ITER이 핵융합에 적합한 조건이 몇 분 동안 지속될 때까지 격리 시간을 증가시킨다는 사실에 의해 가능하게 된다. 지금까지 테스트 원자로는 몇 초 동안만 이를 관리했다.

최초의 "불타는" 플라즈마

ITER은 Q-팩터 5로 또 다른 이정표에 도달할 수 있다.
그때부터 핵융합은 너무 많은 에너지를 방출하여 플라즈마가 가열에 50% 이상을 기여한다.
이것은 핵융합이 충분한 수의 헬륨 핵을 생성하자마자 발생한다. 핵융합 과정에서 방출되는 중성자와 달리 이 알파 입자는 전하를 띠고 있으므로 원자로 자기장에 갇힌 채로 남아 있다. 그곳에서 그들은 충돌을 통해 에너지를 수소 플라즈마로 전달하고 가열한다.

© ITER>

ITER가 Q factor 5에 도달하면, 연소 플라즈마(자체 발열이 외부에서 공급되는 가열 에너지보다 높은 플라즈마)를 생성하는 세계 최초의 핵융합 원자로가 된다.
이상적인 경우 핵융합은 너무 많은 알파 입자를 생성하여 그것만으로도 플라즈마 온도를 유지하기에 충분하다. 이 시점에서 핵융합은 자체적으로 유지되며 플라즈마가 발화된다.
ITER이 이 지점에 도달할지 아직 불분명하다. (계속)

[더사이언스플러스]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]