핵융합 발전 실현을 위한 이정표에 다가서고 있다

핵융합 발전은 청정에너지를 만드는 미래 기술로 알려져 왔지만 최근에는 연구 개발에 큰 진전을 볼 수 있다. 레이저를 이용한 핵융합 발전 중간 이정표는 플라즈마 연소(burning plasma)에 있다고 알려져 있지만 미국국립핵융합시설연구소 NIF(National Ignition Facility)가 새롭게 이 이정표에 도달했다고 발표했다.

2020년 시점 지구상 에너지를 거의 화석연료에 의해 조달되고 있지만 화석연료는 유한한 것 외에도 온실가스를 많이 배출해 대체할 지속 가능한 에너지 개발이 시급하다. 이 가능성 중 하나로 여겨지는 게 핵융합 에너지다.

핵융합 에너지는 수소와 헬륨처럼 가볍고 작은 원자핵이 원자 또는 동위원소 원자핵끼리 융합해 얻어지는 에너지를 말한다. 핵융합 발전은 크게 나누면 강한 자력선을 발생시켜 플라즈마를 가두는 자장밀폐방식(Magnetic Confinement), 강력한 레이저를 연료로 조사해 핵융합을 일으키게 하는 관성밀폐방식(Inertial confinement)이 존재한다. 여러 연구기관이 이런 방법으로 개발을 진행하고 있으며 프랑스에 건설 예정인 국제열핵융합실험로 ITER는 자기장에 갇히는 방식을 채택했지만 목표와 에너지 효율성 실현에는 갈 길이 멀다.

NIF는 관성밀폐방식 핵융합 발전을 하고 있다. 관성밀폐방식은 연료 표면에 레이저를 조사해 플라즈마를 발생시키고 동시에 팽창하는 플라즈마를 레이저의 힘으로 억누르고 파열을 발생시킨다. 이로 인해 발생하는 높은 온도와 압력으로 연료 내부에서 가벼운 원소를 융합시키는 구조인 것. 이 방법을 실현하려면 강력한 레이저를 모든 방향에서 정밀하게 연료를 조사할 필요가 있다.

레이저를 이용한 핵융합 발전에 레이저를 직접 연료로 조사하는 방법이 있지만 NIF는 작은 금속을 가열하고 그 때 발생하는 엑스선 펄스에 의해 연료 캡슐이 가열되고 핵융합이 발생하는 간접 방식을 채택하고 있다.

NIF는 2010년부터 핵융합 발전 실험을 실시해왔지만 첫 3년간은 한 번 레이저 조사로 1킬로줄 에너지 밖에 얻지 못해 목표에서 먼 상태였다. 당시 상황에 대해 연구팀은 시뮬레이션에 과도하게 의존하고 있었다고 밝히고 있다.

연구팀은 테스트 장비를 업그레이드하고 중성자 검출기를 추가해 핵융합 반응이 일어나는 장소 3D뷰가 가능하도록 했다. 또 에너지 누수를 추적하고 문제를 파악, 해결하고 초기 레이저 조사에선 온도 상승이 천천히 압축하기 어려웠다. 연구팀은 온도를 올리고 엑스선 에너지를 연료 캡슐이 더 흡수할 수 있도록 했다. 또 더 연료를 효율적으로 연소할 수 있도록 캡슐 소재는 플라스틱에서 밀도가 더 높은 다이아몬드로 바꿨다.

몇 년에 걸쳐 이런 변화를 거듭해온 결과 NIF는 한 번 레이저 조사로 60킬로줄 가까운 에너지를 만들어낼 수 있게 됐다. NIF 측은 가까운 시일 안에 얼마나 플라즈마 연소에 접근했는지 확인하기 위해 레이저를 연속 조사해 측정할 예정이라고 한다. 이 측정은 에너지량이 100킬로줄에 가까울 것으로 기대하고 있다. NIF는 임계값에 도달하면 핵융합이 더 쉽게 될 것으로 보고 있다.

핵융합 발전이 현실화될지 여부는 아직 미지수지만 이를 위해 시도할 일은 여전히 남아 있다. 모양이나 종류를 바꾸거나 엑스선 에너지를 더 효율적으로 가두는 이중벽 연료 캡슐 등 다양한 아이디어에 도전해나갈 예정이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.