핵융합발전이란

핵융합발전은 두 개의 가벼운 원자핵이 서로 충돌하여 더 무거운 원자핵으로 합쳐지는 방식으로 발전하는 에너지입니다. 이 방식은 태양에서 일어나는 현상과 유사합니다.

자료출처:한국핵융합에너지연구원

핵융합 발전은 어떻게 작동하는가?

1.퓨전 프로세스

핵융합 발전에서의 퓨전 프로세스는 두 개 이상의 가벼운 원자핵이 서로 충돌하여 더 무거운 원자핵을 만들어 내는 반응을 말합니다. 이 과정에서 방출되는 엄청난 양의 에너지를 수직으로 방출하여 전력을 생산합니다.

이러한 퓨전 반응을 일으키기 위해서는 매우 높은 온도(약 100백만도)와 압력이 필요합니다. 이러한 조건은 핵융합로라고 불리는 특수한 장치에서 유지됩니다.

핵융합 발전은 친환경적이며, 원료로 사용되는 원자핵은 해외에 의존하지 않아도 되고, 핵폐기물 발생 문제도 해결될 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 아직 기술적인 한계와 비용적인 문제가 있어 상용화에는 어려움이 있습니다.

2.자기 구속

자기 구속(Magnetic Confinement)은 핵융합로에서 핵융합 반응을 일으키기 위한 중요한 기술 중 하나입니다. 이 기술은 플라즈마를 유지하고 제어하기 위해 자기장을 사용하는 것을 의미합니다.

자기 구속 방법은 크게 두 가지 종류가 있습니다. 첫째는 플라즈마를 감싸는 자기장을 고정시키는 기법으로, 대표적으로 토카막스(Tokamak) 방식이 있습니다. 이 방법은 플라즈마를 감싸는 자기장을 고정시켜 플라즈마가 터널을 통해 통과하게 하여 핵융합 반응을 일으키는 방법입니다. 둘째는 플라즈마 자체를 회전시켜서 자기장 안에서 유지시키는 방법으로, 대표적으로 스텔라터(Stellarator) 방식이 있습니다. 이 방법은 자체적으로 회전하는 플라즈마가 자기장 안에서 안정적으로 유지되도록 설계된 방식입니다.

자기 구속은 핵융합로의 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 하며, 핵융합 발전이 상용화될 수 있도록 하는 핵심 기술 중 하나입니다.

3.융합 달성의 과제

핵융합 발전이 상용화될 수 있도록 하는 것은 아직 기술적인 한계와 비용적인 문제 때문에 어려움이 있습니다. 융합 달성의 과제는 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

첫째는 핵융합로 내부에서 안정적인 플라즈마 상태를 유지시키는 기술 개발입니다. 이를 위해 자기 구속 방법 개발과 이를 위한 기술 개발이 중요합니다. 자기 구속 방법은 플라즈마를 유지하고 제어하기 위해 자기장을 사용하는 것을 의미합니다. 자기 구속 방법은 크게 두 가지 종류가 있습니다. 첫째는 플라즈마를 감싸는 자기장을 고정시키는 기법으로, 대표적으로 토카막스(Tokamak) 방식이 있습니다. 이 방법은 플라즈마를 감싸는 자기장을 고정시켜 플라즈마가 터널을 통해 통과하게 하여 핵융합 반응을 일으키는 방법입니다. 둘째는 플라즈마 자체를 회전시켜서 자기장 안에서 유지시키는 방법으로, 대표적으로 스텔라터(Stellarator) 방식이 있습니다. 이 방법은 자체적으로 회전하는 플라즈마가 자기장 안에서 안정적으로 유지되도록 설계된 방식입니다.

둘째는 핵융합로의 열 효율을 향상시키는 기술 개발입니다. 이를 위해 핵융합로 내부에서 생성된 열을 효율적으로 전환하여 전기를 생산하는 기술이 필요합니다. 이를 위해 다양한 방법이 연구되고 있습니다. 예를 들어, 핵융합로 내부에서 생성된 열을 직접 전기로 변환하는 대신, 열을 이용해 물을 수증기로 변환하여 전기를 생산하는 방법이 연구되고 있습니다. 또한, 열을 이용해 수소를 생성하고 이를 연료로 사용하는 방법도 연구되고 있습니다.

핵융합 발전은 친환경적이며, 원료로 사용되는 원자핵은 해외에 의존하지 않아도 되고, 핵폐기물 발생 문제도 해결될 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 아직 기술적인 한계와 비용적인 문제가 있어 상용화에는 어려움이 있습니다. 따라서, 이러한 과제들을 해결하기 위해 꾸준한 연구와 기술 개발이 필요합니다.

핵융합 발전의 잠재적 이점

1. 친환경적인 발전 방식
2. 핵융합 발전은 탄소 배출량이 거의 없는 친환경적인 발전 방식입니다. 이는 화석 연료 사용에 따른 온실 가스 배출로 인한 기후 변화 문제를 완화할 수 있습니다.
3. 지속 가능한 에너지 공급
4. 핵융합 발전은 헬륨 등의 원자핵을 연료로 사용하며, 이러한 원자핵은 지구 내부에 충분히 존재합니다. 따라서, 지속 가능한 에너지 공급이 가능합니다.
5. 원료 확보에 대한 의존성 해소
6. 핵융합 발전에서 사용되는 원자핵은 해외 수입에 의존하지 않아도 됩니다. 이는 국가의 에너지 안보를 보장할 수 있습니다.
7. 핵폐기물 문제 해결 가능성
8. 핵융합 발전에서 발생하는 핵폐기물은 대부분 비활성 물질로, 장기적으로 관리 및 보관이 가능합니다. 따라서, 핵폐기물 문제를 해결할 수 있는 가능성이 있습니다.

한국은 핵융합 발전 기술 개발 분야에서 세계적인 위치를 차지하고 있습니다. 국내에는 국제 핵융합 연구 개발 기구(ITR)가 설치되어 있으며, 국내 연구자들은 핵융합로의 안정성을 높이고, 핵융합로 내부에서 발생하는 열을 효율적으로 전환하는 등의 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 또한, 국내 기업들 역시 핵융합 발전 분야에 대한 연구와 개발을 진행하고 있으며, 이를 통해 핵융합 발전 기술을 상용화할 수 있는 기술적인 역량을 갖추고 있습니다.

현재까지의 성과

• 핵융합로에서 수 초간 안정적인 플라즈마 상태를 유지한 기록을 세계 최장으로 경신
• 실제 대형 핵융합로에서 사용될 제어 장치를 개발하여 최초로 플라즈마를 안정적으로 제어하는 데 성공
• 국내 최대 규모의 핵융합 장치인 KSTAR에서 기존 최고 기록을 능가하는 300 초간 안정적인 플라즈마 상태를 유지한 기록을 세계 최장으로 경신

한국은 핵융합 발전 기술 개발 분야에서 세계적인 위치를 차지하고 있습니다. 국내에는 국제 핵융합 연구 개발 기구(ITR)가 설치되어 있으며, 국내 연구자들은 핵융합로의 안정성을 높이고, 핵융합로 내부에서 발생하는 열을 효율적으로 전환하는 등의 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 또한, 국내 기업들 역시 핵융합 발전 분야에 대한 연구와 개발을 진행하고 있으며, 이를 통해 핵융합 발전 기술을 상용화할 수 있는 기술적인 역량을 갖추고 있습니다.

앞으로 해결해야 할 과제

• 핵융합로 내부에서 안정적인 플라즈마 상태를 유지시키는 기술 개발
• 핵융합로의 열 효율을 향상시키는 기술 개발
• 비용 문제와 기술적인 한계를 극복하여 핵융합 발전 상용화 단계로 진입하는 것

결론

핵융합 발전은 친환경적이며 지속 가능한 에너지 공급이 가능하며, 해외 의존도와 핵폐기물 문제를 해결할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 아직 기술적인 한계와 비용적인 문제가 있어, 상용화에는 어려움이 있습니다. 핵융합 발전의 상용화를 위해서는 안정적인 플라즈마 상태를 유지시키는 기술 개발과 핵융합로의 열 효율을 향상시키는 기술 개발이 필요합니다. 이러한 과제들을 해결하기 위해 꾸준한 연구와 기술 개발이 필요합니다.

최근 핵융합 기술 발전을 위해 다양한 핵심재료가 연구되고 있습니다. 대표적인 핵심 재료로는 헬륨-3, 리튬, 중수소 등이 있습니다.

 

한국에서 핵심재료를 취급하고 생산하는 기업체는 다음과 같습니다.

• 헬륨-3: 한국원자력연구원(KAERI)
• 리튬: LG화학, POSCO, SK이노베이션, 한국타이어앤테크놀로지
• 중수소: 한국수력원자력, 한국원자력연구원(KAERI), 현대중공업, 한국전력공사