핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 것이다.

원자핵이 융합하는 과정에서 줄어든 질량은 에너지로 변환 되는데, 이를 핵융합에너지라 한다.

무한 에너지를 창출하는 태양에서 ‘핵융합반응’이 일어나 열을 내고 있다.

높은 온도와 중력을 지닌 태양의 중심은 이 같은 핵융합 반응이 활발히 일어나지만 지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어 주어야 한다.

바닷물에서 추출 가능한 중수소 및 리튬(삼중수소)을 주원료로 하는 핵융합 발전은 연료가 무한하며, 고준위 방사성 폐기물의 발생이 없고, 폭발 등의 위험이 없는 궁극적인 미래에너지원으로 꼽히고 있다.

핵융합 반응을 안정적으로 유지해 ‘인공태양’을 만들기 위해서는 우선 섭씨 1억도 이상의 온도를 유지할 수 있는 기술이 필요하다.

태양 표면 온도가 섭씨 6,000도이고, 중심부 온도가 섭씨 1,500만 도인 것을 감안하면 엄청난 도전인 셈.

문제는 섭씨 1억 도를 유지할 수 있는 물질이 현재 지구상에는 없다는 것이다. 금속 가운데 녹는점이 가장 높다는 텅스텐도 섭씨 3,410도가 넘으면 녹아 버린다.

때문에 핵융합 개발도 전자기력을 이용하는 방향으로 진행되고 있다.

과학자들은 섭씨 1억도 이상의 고온에 도달하기 위해서는 플라즈마 상태에서 원자핵의 열 운동에 의한 충돌을 이용하는 방법 밖에 없다고 판단하고 있다.

▲ 프랑스 남부 카다라슈에 건설중인 국제핵융합실험로(ITER).

그래서 과학자들은 플라즈마를 초전도 자석 안에 가둬놓고 안정적으로 제어하기 위해 핵융합 실험로(爐)를 만들기 시작했다.

한국·EU·일본·러시아·미국·중국·인도 등 핵융합 선진 7개국은 핵융합에너지의 대량 생산 가능성을 실증하기 위해 지난 2013년도부터 프랑스 남부 카다라슈에 '국제핵융합실험로(ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor)'를 건설 중이다.

ITER는 핵융합반응을 통한 500MW급의 열출력을 발생하는 장치를 개발해 전기생산의 가능성을 실증하기 위한 국제핵융합실험로다.

ITER의 현재 총 공사 진척도는 60%를 넘어선 상태며, ITER국제기구는 2025년 첫 플라즈마 가동, 2035년 열출력 500㎿에 달하는 핵융합로 풀가동을 시작한다는 목표를 세우고 있다.

이후에는 회원국들이 ITER 실험을 통해 얻은 기술력을 토대로 각국별로 상업 핵융합로를 만들어 2050년대부터 전력을 생산·공급한다는 계획이다.

▲ KSTAR 주장치. KSTAR 주장치실은 가로 37m, 세로 50m, 높이 30m로 기둥이 하나도 없는 무주 대공간으로 55,500㎥의 체적을 가지고 있으며 이는 축구장 1/4 크기다.

우리나라가 건설중인 핵융합연구장치 케이스타(KSTAR:Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 지난 1995년부터 2007년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발한 초전도 핵융합 연구 장치다. 2008년 최초 플라즈마 발생에 성공했다.

KSTAR는 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로 이터(ITER) 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치이다.

한국은 KSTAR 건설을 통해 세계 최고 성능의 초전도자석 제작기술 등 핵융합 관련 10대 원천기술을 확보할 수 있었으며, 이는 후발주자였던 한국을 핵융합 주도국 반열에 올려놓았다.

국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있으며, 매년 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 핵융합 플라즈마 실험을 수행하고 있다.

성과도 세계를 선도하고 있다.

지난 2018년 실험에서 최초로 플라즈마 이온온도 1억도를 달성하고 약 1.5초간 유지하는 데 성공한 이후, 2019년에는 8초간 연속 운전이라는 세계 최초 기록을 달성했다.

▲ 핵융합장치 ‘토카막(Tokamak)’.

이어 2020년 11월24일 20초간 운전에 성공하면서 매년 핵융합 연구의 새로운 역사를 쓰고 있다.

한편 핵융합의 핵심 장치인 ‘토카막 (Tokamak)’은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다.

플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어한다.

현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

참고로 플라즈마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있다.

초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다.

핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 상용화를 위한 핵심 과제다.