1억 도 플라즈마 48초 유지한 KSTAR, '인공태양' 실현할 핵심 기술은

인공지능(AI)의 등장과 로봇 공정의 확대로 전력 수요가 과거 예상치를 훨씬 상회하며 급증하고 있다. 탄소 배출 없이 막대한 에너지를 생산할 수 있는 '꿈의 에너지'로 핵융합 기술이 주목받는 이유다. YTN 사이언스의 다큐멘터리 'K-핵융합'에 따르면, 핵융합은 수소처럼 가벼운 핵이 융합할 때 발생하는 질량 결손 에너지를 이용해 전기를 만드는 기술이다. 태양이 에너지를 만드는 원리를 지구상에 구현하기 위해 대한민국은 한국형 핵융합 연구장치인 KSTAR를 통해 도전하고 있다.

1억 도의 초고온 플라즈마, 어떻게 가두고 유지하나

핵융합을 일으키기 위해서는 1억 도 이상의 초고온 플라즈마 상태가 필요하다. 플라즈마란 원자핵과 전자가 분리된 상태를 의미한다. 태양은 강력한 중력으로 이 뜨거운 입자들을 묶어두지만, 지구에서는 자기장을 이용한 '토카막(Tokamak)' 장치를 사용한다. 도넛 모양의 자기장을 형성해 플라즈마가 빠져나가지 못하게 나선형으로 가두는 방식이다.

KSTAR는 1995년 개발을 시작해 2007년 독자 기술로 완공된 초전도 핵융합 장치다. 영상에 등장하는 연구진은 "단순히 가열 장치로 온도를 높이는 것보다, 안으로 넣어준 에너지가 밖으로 도망가지 않게 자기장 구조로 잡아주는 것이 핵심"이라고 설명한다. 실제로 한국핵융합에너지연구원은 1억 도의 초고온 플라즈마를 48초 동안 유지하며 세계 최장 운전 기록을 세운 바 있다. 이 과정에서 초전도 자석이 제 성능을 내기 위해서는 영하 269도까지 냉각하는 고도의 냉각 기술이 필수적으로 동반된다.

우주선 발사급 열하중 견디는 '방패', 디버터와 텅스텐

1억 도의 에너지를 가두는 과정에서 발생하는 극한의 열을 처리하는 것이 핵융합 실현의 최대 난제 중 하나다. 이를 해결하는 핵심 장치가 바로 '디버터(Divertor)'다. 디버터는 이름의 의미처럼 플라즈마 입자와 열을 특정 영역으로 '우회'시켜 장치 내부를 보호하는 역할을 한다. 영상에 따르면 향후 건설될 핵융합 장치는 크기는 작아지면서도 출력은 높아지기 때문에, 디버터가 견뎌야 할 열하중은 더욱 가중될 전망이다.

현재 국제핵융합실험로(ITER) 기준, 디버터에 가해지는 열은 우주선 발사 시의 최고 열속과 맞먹는 10MW/m² 수준이다. 향후에는 이 수치가 15~20MW/m²까지 높아질 것으로 예상된다. 이러한 극한 환경을 견디기 위해 연구진은 지구상에서 녹는점이 가장 높은 금속인 '텅스텐'을 활용한다. 텅스텐은 약 3,400도 이상의 고온에서도 버틸 수 있는 소재다. 한국 연구진은 텅스텐 블록 내부에 냉각관을 설치하고, 용접 없이도 견고하게 결합하는 기술을 통해 디버터 모듈을 완성했다. 현재 KSTAR는 향후 발전소 모델에 대비해 내벽을 모두 텅스텐 소재로 교체하는 선제적 연구를 진행 중이다.

대한민국 핵심 자원 텅스텐, 핵융합의 미래를 잇다

텅스텐은 핵융합뿐만 아니라 반도체, 항공, 우주 분야에서도 쓰이는 핵심 소재다. 자원이 풍부하지 않은 우리나라에서 텅스텐은 세계적인 경쟁력을 갖춘 몇 안 되는 자원이다. 영상에서는 텅스텐 광석을 채굴하는 과정도 상세히 다룬다. 지하 깊숙한 곳에서 시추 코어를 통해 채취한 암석에서 텅스텐을 골라내는 '선광' 과정을 거쳐, 함량을 높인 '정광'을 만든 뒤 화학적 재련을 통해 산업용 형태로 가공한다.

현재 한국을 포함한 34개국은 프랑스에 세계 최대 규모의 핵융합 프로젝트인 ITER를 건설하며 기술 검증에 박차를 가하고 있다. 플라즈마를 안정적으로 가두는 초전도 자석 기술을 비롯한 '핵융합 8대 기술'의 확보 여부가 미래 에너지 패권의 열쇠가 될 전망이다.