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태양보다 훨씬 뜨겁게 타오르는 케이스타(KSTAR)
 
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2019-03-15 12:16:15

올해 2월 한국의 초전도 토카막 핵융합 연구장치인 KSTAR(케이스타)가 세계에서 처음으로 중심 이온온도 1이상의 초고온 고성능 플라즈마를 1.5초 동안 유지하는 데 성공했습니다.

 

미세먼지가 큰 이슈로 등장하고 국가의 에너지전환 정책에 의해 원전과 석탄발전의 축소가 불가피해 지면서 새로운 대체에너지로 핵융합에너지가 서서히 주목받고 있습니다.

 

핵융합은 태양이 에너지를 발생하는 원리와 동일하며, 가벼운 원자핵들이 결합해 더 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지가 발생하는 원리입니다. 이 에너지로 물을 끊여 발생한 수증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이 핵융합발전입니다. 원전에서 원자력으로 만들어진 에너지도 물을 데워 증기를 발전시켜 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 화석연료를 쓰느냐 우라늄을 쓰느냐 플라즈마를 쓰느냐의 차이를 제외하면 원자력발전소, 화력발전소 그리고 핵융합발전소의 차이는 없습니다. 핵분열이나 핵융합 에너지로 바로 전기를 얻는 대신 단순히 물을 데우는데 쓰이는 게 이상하다고 생각될 수 있으나, 현재나 가까운 미래의 기술로는 물을 가열하는 게 가장 실용적입니다.

 

그런데 왜 우리가 핵융합 반응에 주목하는 것일까요?

 첫째는 핵융합 반응을 일으키기 쉬워서 핵융합 발전의 주원료가 되는 두 종류의 수소동위원소인 중수소와 삼중수소가 지구에 풍부하기 때문입니다. 중수소는 바닷물에서 쉽게 얻을 수 있고, 삼중수소는 지구상에 풍부한 리튬에서 쉽게 생산될 수 있습니다. 욕조 절반가량의 바닷물에서 추출할 수 있는 중수소와 노트북 배터리 하나에 들어가는 리튬 양만으로 한사람이 30년간 사용할 수 있는 전기를 생산할 수 있을 정도로 에너지효율이 높습니다.

 

 둘째는 핵융합 발전이 근본적으로 안전하기 때문입니다. 원자로 내부에 연료를 미리 채운 상태에서 핵분열 연쇄반응을 이용하는 원전과 달리, 핵융합로 속에는 극소량의 수소가 필요할 때마다 연료로 보충되기 때문에 반응로 안에서 핵반응 제어에 문제가 생기더라도 핵융합로가 녹아내리는 사고는 원천적으로 불가능합니다. 타고 남은 재도 방사능 물질이 아닌 헬륨뿐입니다. 원전의 0.04%에 불과한 소량의 방사능에 의해 중준위와 저준위 방사성폐기물이 일부 발생하지만 모두 재활용이 가능하다는 게 전문가들 견해입니다. 셋째는 핵융합 발전은 화석연료에서 만들어지는 온실가스를 배출하지 않는다는 사실 때문입니다.

 

그런데 우리가 핵융합에너지를 얻기 위해선 1이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 합니다. 1의 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들게 됩니다. 플라즈마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 대부분을 차지하고 있으며, 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어납니다. 태양은 이보다도 훨씬 온도가 낮아 중심온도가 1,500정도이지만 충분한 양의 수소 원자들이 중력에 의해 갇혀 있는 시간이 길어 지금과 같은 핵융합 반응이 일어날 수 있음이 이론적으로 증명되었습니다. 사실 우리는 1가 얼마큼 뜨거운 온도인지 짐작할 수도 없습니다. 우리에게 뜨거운 것의 상징처럼 알려진 제철소 용광로의 평균온도는 고작 2,000남짓입니다.

 

그 뿐 아니라 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치가 필요하고, 핵융합장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전해야 하는데 이게 보통 어려운 일이 아닙니다. 토카막(Tokamak)은 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치입니다. 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 거의 모두 토카막 방식을 채택하고 있습니다. 토카막은 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어합니다. KSTAR(케이스타)도 물론 토카막형 핵융합장치입니다.

 

KSTAR1995년부터 2007년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 4천억원이 넘는 건설비용을 투자해 개발된 초전도 핵융합장치입니다. 국제핵융합실험로(ITER)와 동일한 초전도 재료로 제작된 KSTAR2008년 최초로 플라즈마 달성에 성공했습니다. KSTAR는 현재 운용되고 있는 핵융합장치 중에서 가장 앞선 성능을 보이고 있습니다. KSTAR2010년에 초전도 핵융합장치에서의 H모드를 세계 최초 달성했습니다. H모드는 토카막형 핵융합장치를 운전할 때 특정 조건 하에서 플라즈마를 가두는 성능이 약 2배로 증가하는 현상입니다. KSTAR201612월 세계 최초로 7,000초고온 상태에서 72초 동안 고성능 플라즈마를 안정적으로 유지하는 데 성공한데 이어 올해 2월에는 세계 최초로 플라즈마 중심 이온온도 11.5초 동안 달성한 것입니다. KSTAR의 최종 목표는 1의 초고온 플라즈마 상태를 300초간 안정적으로 지속하는 것입니다.

 

핵융합에너지가 상용화되려면 아직 가야할 길이 멀고도 험하지만 미래에 반드시 실현시켜야 할 기술임에는 틀림없습니다. 그 목표를 위해서 우리의 인공태양은 오늘도 뜨겁게 불타고 있습니다.

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Comments
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2019-03-15 12:22:40

뭔지는 모르겠지만 세계 최초라 그러니
일단 추천은 눌러야 되겠다..!

WR
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2019-03-15 13:41:52

짧은 영상으로 감상하면 이해가 빠르실 겁니다.

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2019-03-15 12:26:10

핵융합에너지 개발에 성공하면 인류 문명이 불, 농업, 산업 혁명에 비견되는 혁명적인 발전을 또 한번 이룰 것이라고 들었는데 꼭 성공했으면 좋겠습니다.

WR
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2019-03-15 20:46:22

상용화 되려면 핵융합로가 1년 365일 하루 24시간 연속 가동해야 하는데 지금은 첫걸음 또는 몇거름 정도 내딛였다고 보시면 됩니다. 

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2019-03-15 12:26:58

인공태양이라니 대단하군요. 우주에서 제일 많은 원소중 하나인 수소이니 아주 먼 미래에 핵융합장치를 달고 우주를 누비는 미래도 오길 기대합니다.
오늘도 좋은 정보와 글 감사드립니다.

WR
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2019-03-15 18:13:37

감사합니다.

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2019-03-15 12:27:18

생각보다 핵융합발전이라는 진짜 인류의 미래를 뒤엎을 분야에서 우리나라가 선두권 기술력을 가지고있다는게 놀랍더라구요
그리고 경영자나 정치인이 아니라 과학자들 입에서 어느정도단계까지는 완성되어간다고 평가하고있다는 사실도 놀랍구요.
빨리 저거 완성되서 중국쪽 발전소 싹 없애고 전기도 무료화 되면 좋겠습니다

WR
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2019-03-15 13:01:06

어느정도 완성이라고 말하기에는 아직 갈길이 너무 멉니다. KSTAR는 머지않아 업그레이드가 필요하고, 아직까지 토카막 운영기술은 우리가 가장 앞서지만 중국이 우리의 10배가 넘는 인력과 예산을 쏟아붓고 있어 언제 추월당할지 모르는 상태입니다.

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2019-03-15 12:31:54

매번 데이먼님의 지식과 필력에 감탄하고 갑니다. 감사드립니다.

WR
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2019-03-15 18:13:06

고맙습니다.

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2019-03-15 12:32:58

문과라 어렵지만 제가 이해한 바로는

핵융합 에너지는

1. 소량만 사용해도 에너지효율이 높다. 

2. 안전하다.

3. 환경친화적이다. 

라는 듯하고, 그렇다면 이상적인 에너지원으로 보입니다.

 

질문이 있습니다.

상용화까진 얼마나 걸릴까요? 몇십년으로 예상하시나요?


WR
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2019-03-15 13:05:10

지금 미국이나 유럽은 관망상태이고 한중일 3개국을 중심으로 괄목할만한 운영성과가 나오고 있습니다. 어느 티핑포인트를 넘어서면 미국과 유럽연합이 상용화의 헤게머니를 위해 뛰어들 것입니다.

WR
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2019-03-17 02:34:18

몇십년으로 예상하냐는 질문에 답을 안했네요. 많은 전문가들이 2050년을 상용화의 시점으로 내다보고 있습니다.

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2019-03-15 12:34:09

저게 성공하면 아이언맨의 아크 리액터가 나오는거군요.

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2019-03-15 13:05:32

저걸 주먹크기로 최소화 한거니
픽션이지만 토니스타크 대단하네요

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2019-03-15 12:51:29

무엇보다도 환경을 되살리는 데에 큰 힘이 되었으면 좋겠습니다

좋은 글 감사드립니다.

WR
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2019-03-15 18:14:27

고맙습니다.

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2019-03-15 13:18:25

오늘도 가르쳐주셔서 감사합니다

WR
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2019-03-15 13:39:19

케이스타 홈페이지에 자세한 설명이 있습니다.

 | https://www.nfri.re.kr/…

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2019-03-15 13:22:18

 기술이 발전하려면 꾸준한 지원과 노력이 필요한데 우리나라에서 오래전부터 그러한 노력과 지원이 있었다는것에 자랑스럽습니다.


WR
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2019-03-15 20:49:44

KSTAR 프로젝트에 부정적인 시각도 많았는데, 그것들을 차츰 불식시키는 성과들을 얻고 있는 점이 가장 고무적입니다.

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2019-03-15 13:31:24

기대가 되네요. 부디 실현되길..

WR
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2019-03-15 20:50:26

언젠가는 실현될 텐데 우리나라도 그때 중요한 역할을 하게 되길 기대합니다.

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2019-03-15 14:20:44

좋은글 잘읽었습니다!

에너지쪽에서 연구하는 입장에서 보자면, 사실 전기야 어떻게든 만들수있습니다. 물론 대한민국이라는 테두리 안에서야 쉽지 않겠지만, 미국이나 유럽의 국가들이 기존의 많이 알려진 신재생에너지 외 새로운 에너지원에 크게 관심이 없는건 아마 전기, 에너지원 자체는 어떻게 해서든 만들수있다는 자신감이 앞서기 때문이겠죠.. 그리고 댓글에 써주신것처럼 기술 발전이 일정 수준을 넘어서는 순간 그때 뛰어들어도 늦지 않다는 자신감도 있을거구요..

다만 문제는 만든 에너지를 어떻게 저장하고, 활용할것이냐의 문제인데.. 이 문제에 대해서만큼은 다들 너무 관심이 없는것도 사실입니다. 실제로 버려지는 에너지원들을 가져다 쓸수만 있으면 사실 태양광이니 뭐니 없어도 됩니다.

WR
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2019-03-15 20:55:12

말씀처럼 전기야 어떻게든 만들 수 있지만 오래 전에 전문가들이 예측했던 것처럼 쉽게 만들어지지 않는 게 전기이기도 합니다. 그리고 아직도 멀었지만 배터리 등을 이용한 에너지 저장 및 활용에 대해 세계적인 기업들이 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 말씀 고맙습니다.

1
2019-03-15 14:36:47

무식한 질문이라 죄송합니다만...

저거 터지면 어떻게 되나요? 뭐 반경 5km 범위가 다 터진다던가 그런 건 아닌가요?

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Updated at 2019-03-15 14:53:13

이론적으로 문제가 생겨도 극소량의 수소만이 반응하게 되므로, 말씀하시는것처럼 폭발 자체가 성립 될 수 없는 환경입니다.

WR
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Updated at 2019-03-17 02:32:38

본문에도 언급되어 있고 C.W.Bosh님이 답하신 것처럼 폭발 자체가 성립할 수 없습니다. 만일 제어에 실패해서 수소 플라즈마가 반응로 내벽에 부딪히더라도 반응로가 녹거나 폭발하지는 않고, 오히려 플라즈마가 식어서 핵반응이 중단되는 것에 그치게 됩니다. 원자력발전소의 원자로도 절대 원자폭탄처럼 폭발하지는 않습니다. 원자로의 연료봉 안에는 우라늄 238이 가득 들어있는데, 이는 원자로가 잘못되더라도 핵분열 연쇄반응이 일어나지 않도록 중성자를 흡수합니다. 원자로가 제어불능이 되면 대량으로 방사능 오염물질을 방출할 수 있지만 폭탄처럼 폭발하지는 않습니다.

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2019-03-15 14:45:57

기술 가정 시간과 물리 시간에 배웠던 핵융합이네요. 상용화 되려면 멀었다라고 배웠는데, 지금 이 시점에서도 갈 길은 멀지만 그렇게까지 멀리 떨어진 기술은 아닌가 싶습니다.

부산 시민으로서 반가운 소식입니다!

WR
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Updated at 2019-03-17 02:33:06

멀다고 생각하면 멀고, 멀지 않다고 생각하면 또 그런 것이 지금의 상황입니다. 어쩌면 10~20년 내로 극적인 상황이 벌어질 수도 있습니다.

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2019-03-15 14:58:32

굉장히 흥미롭고 유익하네요.. 명문 잘 읽었습니다.

WR
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2019-03-15 20:57:06

감사합니다.

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2019-03-15 15:12:21

오랜만에 좋은 뉴스네요.

WR
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2019-03-15 21:05:53

더 좋은 뉴스를 기대합니다.

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2019-03-15 16:27:36

좋은글 잘 읽고갑니다. 한 5~6년 전에 핵융합발전은 아직 걸음마도 못떼고 있다고 업계 종사자분이 말씀하신 걸 들었던 기억이 나는데 조금씩이지만 성과가 나오고있군요.

WR
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2019-03-15 18:12:31

본글에서도 언급된 것처럼 토카막 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것이 핵융합 상용화를 위한 핵심 숙제입니다.

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2019-03-15 18:33:43

 이제 중요한건 저걸 잘 이용하고 발전시키는거겠죠.

저걸 빌미로 또 돈뜯어먹는 세력이 나오지않고.....

WR
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2019-03-15 21:08:22

돈뜯어먹는 세력이 나올 정도면 대 성공이죠.

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2019-03-15 19:12:11

그냥 이런 정보를 접하는 것만으로도 재밌네요. 항상 다양한 지식을 제공해주셔서 감사합니다.

WR
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2019-03-15 21:08:42

고맙습니다. 즐거운 주말 되세요.

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2019-03-15 21:04:55

원전 뉴스만 보면 불안한데, 핵융합 발전에서 좋은 성과가 나와서 대체되길 바랍니다. 중국의 원자력발전소들이 우리나라 서해 근처에 다 있어서 거기서 사고가 나면 우리나라도 재앙이라고 들었거든요.
오늘도 좋은 글 감사드립니다.

WR
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2019-03-15 21:10:01

맞습니다. 한국의 원전보다 중국의 원전사고가 우리에게 더 위험합니다.

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