1억 5천만도 '인공태양', 무한 에너지원 열어

지구 자기장보다 28만 배 강한 자기장을 가진 ITER 핵융합로의 약 1,000톤 중앙 자석 클러스터가 방금 구조를 완성하여 중요한 설치 단계를 앞두고 있습니다.

이는 태양이 빛나는 방식과 비슷하게 깨끗하고 거의 무한한 에너지원이라는 꿈을 실현하는 여정에서 중요한 이정표로 여겨집니다.

별의 에너지를 깨우다

수십 년 동안 핵융합(수소와 같은 가벼운 원자핵을 결합하여 헬륨을 형성하고 에너지를 방출하는 과정)은 에너지 산업의 "성배"로 여겨져 왔습니다.

ITER 설계 이미지(사진: ITER).

핵분열(우라늄과 같은 무거운 원자핵을 분열시키는 과정)과 달리 핵융합은 장기적인 방사성 폐기물을 생성하지 않으며 위험성이 적고 사실상 무한한 연료 자원을 가지고 있습니다.

그러나 태양 중심부에서 일어나는 것과 유사한 핵융합 반응을 유도하려면 인간은 극한의 환경을 만들어야 합니다. 즉, 수소 원자가 정전기적 반발에도 불구하고 서로 융합하도록 하기 위해 최대 섭씨 1억 5천만 도의 온도(태양 중심부 온도의 10배)가 필요합니다.

이것이 바로 세계 최대 규모의 열핵융합로인 ITER(국제열핵융합실험로)가 미국, 러시아, 중국, 일본, 인도, 한국, 그리고 EU 전체 등 30개국 이상의 협력을 통해 프랑스 남부에 건설된 이유입니다.

슈퍼 자석으로 "태양을 붙잡다"

ITER는 섭씨 1억 5천만 도의 플라즈마(일반적인 물체를 파괴할 수 있을 만큼 뜨거운 물질)를 제어하기 위해 도넛 모양의 디자인인 토카막 기술을 사용하여 플라즈마를 용광로 벽에서 멀리 "매달려" 있게 유지합니다.

ITER는 도넛 모양의 디자인인 토카막 기술을 사용하여 플라즈마를 "떠다니는" 상태로 유지하기 위해 강력한 자기장을 생성합니다(사진: ITER).

이 시스템의 주요 인물은 중앙 솔레노이드입니다. 이는 무게가 거의 1,000톤에 달하는 거대한 초전도 코일 클러스터로, 방금 주요 구성품이 완성되어 설치할 준비가 되었습니다.

중앙 솔레노이드는 지구 자기장의 28만 배에 해당하는 최대 13테슬라의 자기장을 생성할 수 있습니다. 단일 구성 요소일지라도 6.4기가줄의 자기 에너지를 포함하고 있습니다. 이는 TNT 1,500kg의 폭발력과 같습니다.

특별한 점은 토카막 내부의 플라즈마 영역이 수억 섭씨 온도에 도달해야 하는 반면, 중앙 솔레노이드는 초전도 상태를 유지하기 위해 액체 헬륨의 온도에 가까운 -270⁰C까지 냉각해야 한다는 것입니다. 두 개의 반대되는 온도 상태가 제한된 공간에 공존하고 동기화되어 작동해야 하기 때문에 엄청난 공학적 과제였습니다.

비싸지만 바람직한 꿈

예정대로라면 ITER는 약 50메가와트의 전기를 사용해 플라스마를 시작하고, 핵융합 반응에서 500메가와트의 열을 회수할 것입니다. 이는 입력 전력보다 10배 빠른 에너지 생산 속도에 해당합니다.

하지만 이것은 단지 열에너지일 뿐입니다. 전기를 생산하려면 이 에너지를 터빈 시스템을 통해 변환해야 하며, 이 과정에서 손실이 불가피합니다.

그럼에도 불구하고 ITER가 안정적인 반응을 유지하는 데 성공한다면, 전기융합이 이론적으로뿐만 아니라 미래에 확장 가능한 규모로 실현 가능하다는 것을 보여주는 최초의 산업적 시연이 될 것입니다.

미국, EU, 중국, 일본이 모두 공동 프로젝트를 위해 기술, 인력, 자금(추산 수천억 달러)을 공유하기로 합의한 것은 우연이 아닙니다. 미국이 제작하고 자금을 지원한 센트럴 솔레노이드가 이를 증명합니다.

세계 과학 협력에 대한 믿음

ITER 사무총장인 피에트로 바라바스키 씨는 "ITER의 독창성은 기술적 규모에만 있는 것이 아니라, 정치적 , 전략적 차이를 극복하고 에너지 위기와 기후 변화라는 세계적 과제에 맞서는 국제 협력 모델에도 있습니다."라고 강조했습니다.

세계가 화석 연료를 대체할 에너지원을 찾고 있는 가운데, ITER는 핵융합로가 독성 폐기물을 생성하지 않고도 안정적이고 안전한 에너지를 제공할 수 있는 "탄소 없는" 미래에 대한 희망을 제시합니다.

하지만 ITER에 회의적인 사람들도 있습니다. 이 프로젝트는 예정보다 거의 10년이나 늦어졌고, 예산도 여러 번 초과되었으며, 2033년까지 첫 번째 플라스마를 생산하지 못할 예정입니다. 핵융합 발전소의 상업적 운영은 아직 2040~2050년의 문제입니다.

한편, TAE Technologies(미국), Tokamak Energy(영국), Helion Energy와 같은 일련의 민간 기업은 더욱 컴팩트하고 유연한 모델을 추구하고 있으며, ITER보다 수년 앞서 핵융합 전력을 전력망에 공급할 수 있을 것이라고 약속하고 있습니다.

하지만 이러한 진전의 대부분은 ITER가 이미 생성한 과학과 데이터에 기반을 두고 있다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/mat-troi-nhan-tao-nong-150-trieu-do-c-khai-mo-nguon-nang-luong-vo-tan-20250509092824986.htm