이제는 고온초전도 기술, 무한한 에너지 !

핵융합로가 1억도를 버티는 이유와 기술

핵융합의 원리와 그것을 가능하게 하는 고온초전도 기술에 대해 살펴보겠습니다.

핵융합을 일으키기 위해 필요한 것은 플라즈마입니다. 이 플라즈마는 전자가 분리된 상태의 물질로, 이온화된 기체의 형태를 가집니다. 이 플라즈마를 공중에 띄워서 가열하고 에너지가 도망가지 않게 가둬야 합니다. 이를 위해 사용되는 방법은 초전도 자석과 전자기파를 활용하는 것입니다.

한편, 우리나라에서는 KSTAR라는 초전도 토카막 장치를 개발해, 1억도의 플라즈마를 30초 동안 유지하는 세계 기록을 달성했습니다.

1억도는 어떻게 견디나

그렇다면, 지구상에서 1억도의 열을 어떻게 견디는지 궁금할 수 있습니다.

실제로, 핵융합은 낮은 압력과 높은 온도를 이용해 일어나며, 낮은 밀도를 유지하기 때문에 폭발 위험은 거의 없습니다. 만약 핵융합 플라즈마의 온도가 너무 높아져 제어가 실패할 경우에도, 단순히 플라즈마가 꺼지고 핵융합로 장치에 손상이 일어날 뿐입니다.

핵융합로에서는 자기장을 이용해 플라즈마를 공중에 띄웁니다. 이 때문에 내부의 온도가 1억도에 이르더라도, 외부의 온도와 밀도는 낮아 방출하는 열의 양이 적습니다. 이런 방식으로 핵융합로를 구현하는 것을 토카막이라고 부릅니다.

바로 이러한 토카막에 초전도 기술은 이런 고온에도 견디는 핵융합로를 가능하게 합니다. 초전도 자석은 저온에서 초전도 현상을 만들어내는 기술을 활용하며, 최근에는 고온 초전도 기술이 개발되어 많은 성과를 이루고 있습니다. 특히 우리나라는 이 분야에서 세계를 선도하고 있습니다.

KSTAR나 많이 쓰고 있는 초전도 자석은 대부분 저온초전도라는 기술입니다. 굉장히 낮은, 절대0도(-273도) 가까운 온도에서 초전도 현상을 만드는 기술이 사용되고있습니다.

이제는 고온초전도체

하지만 최근 고온 초전도 기술이 개발되어 많은 성과가 나오고있습니다.

고온초전도는 조금 더 높은 영하 170도 정도에서 초전도 현상이 생기는 기술이 최근에 개발됐는데 다양한 분야에서 적용되고 실험되고 있습니다.

현재 우리나라는 고온초전도기술에서도 세계를 리드하고있습니다.

20테슬라와 45테슬라의 자기장 기록을 한국이 가지고 있고 이 기술을 바탕으로 수많은 기술이 발전되고있습니다.

이러한 초전도 기술은 바로 인류가 그토록 바라는 무한에너지를 만드는 핵융합로의 실현을 앞당기게 됩니다.

1억도 이상의 플라즈마를 담는 그릇, 핵융합로가 필요한데 그러한 것을 가능하게 해는 것이 초전도기술입니다.

우리나라의 KSTAR. 실증하는 ITER은 아직은 저온초전도 기술을 이용합니다.

고온초전도 전자석을 이용한 핵융합로는 SPARC(핵융합실험로)라 하는데 빌게이츠와 구글이 2조원(18억달러)를 투자한 것으로 유명합니다.

현재는 미국 정부주도로 고온초전기술을 이용한 핵융합로기술개발도 진행중이라고합니다. 물론 유럽과 우리나라등 과학 선진국들은 모두 개발을 진행중입니다.

빌게이트, 구글 2조원 투자

빌 게이츠와 구글이 2조원을 투자해 개발한 SPARC(소형,핵융합실험로)는 고온 초전도 전자석을 이용한 핵융합로로 유명합니다.

핵융합로는 태양을 지구상에 만들겠다는 꿈이지만, 확인된 물리적인 원리를 가지고 현실적인 목표로 나아가고 있습니다.

핵융합로의 원리와 반응은 이미 검증되었고, 1억도 플라즈마도 만들 수 있습니다. 하지만 공학적인 문제와 건설 시간 때문에 핵융합으로 전기를 생산하는 것은 2050년 정도에 가능할 것입니다. 그리고 다른 에너지원을 대체하는 것은 2080년 정도에 실현 가능할것으로 예측됩니다.

핵융합로는 우리에게 깨끗하고 풍부한 에너지를 제공할 수 있으며, 그러기 위해서는 우리가 계속 노력하고 연구하고 투자해야 합니다.

더불어 초전도 기술은 우리 생활 속에서도 볼 수 있습니다. 병원의 MRI와 자기부상열차가 그 예입니다. MRI는 1-3T의 저온 초전도체 자기장을 이용한다고하는데 고온초전도체를 이용한 자기장의 세기는 40-50T를 넘어선다고하니 그 세기를 짐작할 수 있을것입니다. 또한 국내에서는 활발하게 자기부상열차(하이퍼튜브)에서도 고온초전도 기술을 활용해 성능 개선을 위한 연구가 진행되고 있습니다.

이렇게 핵융합과 다양한 분야에서 초전도 기술이 결합하면, 우리가 꿈꾸는 무한한 에너지의 미래가 빠르게 실현될 수 있을 것입니다.

* 매사추세츠공과대학(MIT) 연구진과 스핀오프 기업 커먼웰스퓨전시스템즈(CFS)는 2025년(예상)에 시험 가동이 가능한 핵융합로 ‘SPARC(스파크)’ 건설에 관해 연구중이다.