핵융합발전? 과학인가 사기극인가-민주당 인재영입에 다시 들여다 본 핵융합 발전의 실체

작성자: wawayang - 2020.02.14

핵융합에너지로 전기를 생산하겠다는 과학자들이 모여서 국제핵융합실험로(ITER) 연구를 하고 있다. 우리나라는 여기에 연간 수백억원의 국민세금을 지원한다. 국제핵융합실험로 부총장을 지낸 이가 지난 11일, 민주당 인재 19호로 영입되었다. 
 
핵융합은 지구 질량의 33만배인 태양의 중력과 중심온도 1500만도의 높은 온도가 유지되는 환경이 있어서 가능한 반응이다. 말 그대로 ‘태양’이라서 가능한 반응이다. 태양에서 일어나는 그 핵융합 반응 덕분에 태양광 에너지와 태양열 에너지를 이 먼 지구에서 사용할 수 있다.
국제핵융합실험로에 그런 핵융합 반응을 얼마 안되는 중력을 가진 지구상에서 구현하겠다고 7개국 과학자들이 모여서 연구을 한다.
 
태양이 아닌 지구상에 핵융합 반응이 안정적으로 일어날 수 있을까? 지구는 태양에 비해 너무나 작아서 핵융합 반응을 일으키는 중력은 기대할 수조차 없다. 그러니 1500만도씨가 아니라 온도를 1억도 이상으로 끌어올려야 한다.
1억도. 상상하기도 어려운 이 초고온을 유지하는 것도 문제이지만 이 초고온 반응을 견디는 초고온 재료가 없다. 폭발적인 반응을 일으키는 가스터빈도 1500도 안팎을 견디는 정도다. 그게 현재까지의 최고 재료기술이다.
1억도 유지는 또 어떻게 할 것인가. 1억도 플라즈마를 유지하는 시간이 국내에서는 1.5초, 해외에서는 100초 정도였다는 소식이다.
핵융합 반응이 유지되는 것조차 성공하지 못했는데 이 에너지를 이용해서 ‘발전’하고 ‘상용화’한다는 건 ‘사기극’이라고 주장할만 하다. 그런데 이를 위해 한 해에 쓰는 세금이 2천억원 가량이라고 한다.
 
핵융합발전을 주장하는 이들은 핵분열 발전과 달리 핵융합은 방사능 오염이 없다고 주장한다. 사실이 아니다. 핵융합을 위해서는 삼중수소가 필요하다. 삼중수소 자체가 방사성물질이다. 후쿠시마 원전사고 방사능 오염수가 바로 이 삼중수소로 오염된 물이다.
핵융합 과정에서 삼중수소가 쓰이고 중성자선도 나온다. 핵융합 반응로인 토카막 자체가 방사성물질로 오염되는 거니 당연히 핵폐기물도 나온다.
 
삼중수소가 지구상에 있는 자연방사성물질이 아니다 보니 핵융합 반응을 하려면 삼중수소를 만들어야 한다. 비싼 비용이다. 1억도 이상의 온도를 유지하는 플라즈마가 만드어지기 위해서도 엄청난 에너지가 필요하니 이 역시 비용이다.
 
핵융합에너지를 쓰겠다는 건 지구 상에 태양을 구현하겠다는 거다. 태양은 태양계 중심에서 핵융합 반을을 일으키면서 이미 우리에게 풍부한 에너지를 보내주고 있다. 그 공짜 에너지를 담는 발전설비만 있으면 무한대로 값싸게 쓸 수 있는데 왜 지구상에 태양을 구현하려고 하는 걸까?
태양광도, 태양열도, 나무도, 풀도, 바람도 다 태양에서 오는 에너지로 만들어진다. 이미 이런 재생에너지로 100% 공급이 가능한 미래가 현실이 되고 있다.
 
핵융합에 대해 조금 더 자세히 들여다 보자.
 
인류가 에너지를 얻어 온 역사, 태양에서 핵으로
인류는 나무를 태워서 처음 에너지를 사용하기 시작했다. 나무는 공기와 물과 같은 무기물질을 태양에너지를 이용에서 유기물질로 축적한 생명체이다. 나무를 태운다는 건 결국 태양에너지를 이용하는 셈이다. 석탄도 석유도 그렇고 인류는 태양에서 온 에너지가 집적되어 있는 그 무엇으로 에너지를 사용해왔다. 그런데 핵물리학이 발달하면서 원자 단계에서 가지고 있는 에너지를 이용하는 시도가 시작된 것이다.
에너지는 곧 물질이고 물질은 곧 에너지다. 아인슈타인이 알아낸 이 사실이 원자 단계에서 확인이 된 거다. 원자의 핵이 분열하거나 융합할 때 아주 약간의 질량이 줄어드는데 이것이 거대한 에너지로 방출되는 원리를 발견하게 된 것이다.
이런 핵물리학의 원리를 이용해서 인류는 에너지를 얻기 위한 개발에 본격 착수한 것이 핵분열기술이고 핵융합 기술이다.
핵분열기술은 중성자를 우라늄 원자핵과 충돌시켜서 핵분열이 일어나도록 하는 거고 인류는 이 기술로 핵발전소까지 만들었다. 1940년대에 과학의 단계를 넘어서 공학의 단계를 거쳐서 상용화되었다. 전 세계 약 400기가와트의 발전설비가 있지만 지금은 이 기술이 개발될 당시에는 예상하지 못한 방사능, 핵폐기물, 원전사고의 위험이 드러나면서 시간이 지날수록 더 비싸지는 기술이 되어 시장에서 외면받고 있다. 우리나라에서 처음 핵발전이 도입될 1970년대 당시에는 50년이 지나면 핵폐기물 처리가 가능해질 거라고 과학자들과 공학자들이 장담했지만 여러 방법들에 대한 충분한 연구가 제대로 진행되지 않았고 그나마 선별적으로 연구한 재처리로 사용후핵연료 문제를 해결할 수 없다는 것은 이미 확인되었다.
핵분열을 이용한 핵발전 기술은 현실적으로 이용되지만 공학적으로 지속가능한 기술이 될 수 없다는 것이 과학계에서는 정설이 되어버렸다. 신규 원전을 추진하지 않아도 이미 너무 많은 핵발전소도 있고 핵폐기물이 있어서 관련 과학기술자들의 역할은 필수적이다.
 
핵분열 기술은 상용화되었지만 핵융합반응은 유지하는 것도 난제
비슷한 시기 시작된 핵융합 기술은 아예 다른 얘기이다.
핵융합이 일어난다는 것은 규명했다. 현재는 과학연구의 단계, 그 정도일 뿐이다. 그런데, 이것을 공학의 단계로 진전시키고 경제성도 확보해서 상용화시키는 핵융합발전으로 가기 전에 실험로라도 완성하겠다는 것이 국제핵융합실험로 연구다.
하지만 지난 70년간의 시간은 이것이 기술적으로 경제적으로 매우 어렵다는 것을 보여주는 과정이었다.
실험실에서 핵융합반응이 일어났고 수소폭탄도 만들어서 실험도 했다. 하지만 핵융합 반응이 안정적이고 지속적으로 일어나게 하는 건 아직 성공하지 못했다. 과연 지구상에서 안정적이고 연속적인 핵융합반응이 가능할지 의문이다.
핵분열이나 핵융합이나 극복해야 할 대상은 원자를 안정하게 유지시키고 있는 핵력이다. 지구의 중력이나 지구상의 왠만한 힘(폭탄 폭발)에도 원자는 파괴되지 않는다. 단지 원자들끼리의 결합이 바뀔 뿐이다. 원자핵에 있는 양성자들끼리 안정하게 핵을 유지하는 힘 덕분이다. 양성자들이면 서로 밀어내는 힘이 강할텐데 안정하게 같이 잘 있다는 건 핵력이 있기 때문이다. 이런 핵이 분열되거나 융합되어 다른 단계의 안정적인 단계로 들어가게 하기 위해서는 불안정한 원자가 필요하고 핵력을 극복하는 초기의 힘이 필요하다. 핵분열 반응은 기술적으로 가능한데 핵융합은 아직도 제자리 걸음이다.


지구의 33만배 질량인 태양이라서 핵융합 반응이 가능
핵융합은 태양에서 일어나는 현상이다. 그 덕분에 지구에 사는 우리는 태양으로부터 풍부한 에너지를 받고 있다.
수소는 양성자 하나 전자 하나로 우주에서 가장 작고 가볍고 간단한 원자이다. 태양에서는 이 수소들이 중성자 반응으로 중수소가 되고 삼중수소가 된다. 중성자가 없이 양성자 하나밖에 없던 수소원자의 핵에 중성자 한 개 추가되어 중수소, 중성자 두 개가 추가되어 삼중수소가 된 것들이 태양과 같은 높은 에너지 상태에서 융합되어 헬륨이 된다. 헬륨은 양성자 두 개, 중성자 두 개, 전자 두 개 이니 중수소와 삼중수소가 융합하면 중성자 하나 남는다. 이 중성자는 다른 중성자 반응을 일으키면서 중수소와 삼중수소가 생기고 핵융합도 연달아 일어나는 것이다.
중수소와 삼중수소가 융합하면서 아주 약간의 물질이 사라지는데 이것이 막대한 에너지가 되어 발산되고 그 에너지가 태양의 높은 온도를 유지시키고 빛나게 합니다. 그 태양에너지로 지구의 모든 생명을 푸르게 한다.
태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구상에서 일어나게 하려면 비슷한 조건이 필요한데 그게 가능하지 않다는 거다. 삼중수소는 지구 자연계에서 존재하지 않기 때문에 사전에 준비해야 한다. 미리 중수소와 삼중수소를 만들어서 확보해놓고 이들을 태양처럼 아주 높은 에너지 상태와 아주 높은 압력상태로 만들어야 한다.
핵분열이든 핵융합이든 원자의 핵이 충돌을 해야 한다. 핵분열은 양성자가 가득한 원자핵에 중성자가 충돌하는 거고 핵융합은 양성자와 중성자가 있는 원자핵끼리 충돌하는 거다.
그런데 서로 거리가 너무 멀리 있다. 마치, 축구장 한 가운데 골프공보다 작은 쇠구슬을 축구장 한쪽 끝에서 다른 공으로 맞추는 것에 비유할 수 있다. 의도적으로 맞추는 게 아니라 우연히 던졌는데 맞아야 하는 거다. 그래서 핵분열할 때는 공의 속도를 좀 늦추는 방법과 던지는 공의 개수를 늘리는 방법을 썼고 그게 성공했다.
그런데 핵융합은 좀 더 어렵다. 핵분열은 양성자와 중성자 235개가 있는 우라늄 핵을 중성자로 맞추는 건데 중성자가 이온을 띄지 않으니 원자핵에 가까이 가는 게 아주 어렵지는 않다. 그런데 핵융합은 양성자 하나 중성자 하나로 아주 작은 원자핵 두 개가 충돌해야 하는데 서로 양(+)을 띄고 있으니 쉽지 않다. 먼저 이온화를 시켜서 전자부터 떼어내야 하고 양성자끼리 밀어내는 힘도 극복해야 하고 원자핵을 안정하게 유지시키는 핵력도 극복할 정도로 높은 에너지가 필요하다. 그리고 이런 원자핵들도 아주 아주 아주 많아야 한다. 서로 만날 확률을 높이는 방법은 개수를 늘리는 방법이다. 압력이 높고 속도가 빠르다면 단위 공간당 서로 만날 확률이 높아지는 것이다.
태양은 높은 에너지 상태인 1500만도이고 태양의 핵은 엄청난 질량의 힘으로 원자들의 개수가 아주 많은 상태인 높은 압력 2600억 기압이 유지되어 안정적으로 핵융합 반응이 일어난다.
태양은 워낙에 크고 밀도가 높아서 막대한 중력으로 높은 온도와 높은 압력 환경이 조성되어 이게 가능하다. 질량은 지구의 33만배이고(태양계 전체 질량의 99.8% 차지) 부피는 지구의 130만개가 될 정도로 크다.
지구상에서 이런 높은 에너지와 높은 압력을 유지하기 위해서 외부에서 엄청난 양의 에너지를 투입해야 한다.
 
1억도의 온도를 1.5초 유지? 100초 유지?
우선, 온도를 높여서 삼중수소, 중수소를 이온 상태의 플라즈마(불 덩어리로 비유)로 만들고 온도를 계속 올린다. 자기장을 걸어서 플라즈마 속의 이온들을 가속하는 방법을 쓴다. 속도가 올라가면 온도가 올라간다. 그리고 수소를 계속 집어넣어 압력을 높인다. 태양만큼 큰 중력과 높은 압력 상태가 안 되니 온도를 더 높이는 방법을 쓴다. 이론적으로는 어떤 고에너지 상태가 되면 핵융합반응이 연속으로 일어나서 그 결과 온도가 10억도씨까지 올라가게 된다. 현재까지는 1억도씨 정도까지 밖에 올라가지 못했다.
핵융합 반응이 일어나긴 했다는데 국내에서는 핵융합 실험로인 토카막 중앙에서 2016년도에 플라즈마를 1억도씨 이상 1.5초 동안 유지하는 정도였다. 플라즈마 내에서 핵융합반응이 일어났겠지만 1억도씨 온도가 1.5초 유지된 정도라니 이론적으로 핵융합반응은 1.5초 이내일 수 밖에 없다(그 사이 더 진전이 되었더라도 역시 일시적인 반응이다). 해외에서는 1억도 이상 온도로 100초 정도 플라즈마 조건을 유지했다는 소식도 있었다(다시 확인해보니 플라즈마 유지 시간이 100초를 넘었지만 온도는 1억도가 아니었다).
이론상으로 플라즈마 온도가 1억도씨 이상이 유지가 되면 핵융합반응이 일정하게 유지되고 있다고 볼 수 있다. 핵융합반응이 일정하게 유지되면 온도에 따른 반응들이 정규분포를 이루겠지만 지금은 정규분포의 끝단에서 어쩌다가 순식간에 잠깐 반응이 일어났다가 사라지는 수준이다. 그런데 그 정도를 유지하기 위해서라도 엄청난 에너지가 들어간다. 삼중수소는 또 얼마나 비싼지, 그리고 이것 역시 방사성물질이다. 반응로 주변을 둘러싼 물질도 제어되지 않는 입자나 에너지(감마선, 중성자선 등)가 충돌하여 방사화된다. 토카막 전체가 방사성물질로 오염되는 거고 핵폐기물도 존재할 수 밖에 없다. 핵융합이 핵폐기물이 없다라는 주장은 사실이 아니다.
더구나 1억도 이상의 플라즈마를 안정적으로 유지시키는 재료기술, 제어기술, 플라즈마 내외부 온도를 정확하게 측정하는 기술 등도 아직 불안정한 상황이다.
 
핵융합 반응을 성공하는 것이 목표인 기초과학연구
핵분열기술을 이용한 핵발전소 반응로는 350도씨, 150기압을 유지하는 정도다. 냉각이 안되면 내부온도가 수천도씨까지 올라가면서 핵연료봉인 노심이 녹아내리고 압력이 올라가면서 사고가 날 수 있다. 이와 비교하면 핵융합반응이 지속적으로 일어난다는 것이 얼마나 어려운 일인가.
지난 70년여간 이룬 핵융합 연구 결과가 여기까지이다. 그런데 무슨 공학적 설계이고 핵융합발전소 상용화인가. 아직 과학연구단계이다.
태양에서 일어나는 안정적인 핵융합을 지구상에서 구현하겠다는 과학자들의 꿈을 부정해서는 안될 것이다. 하지만 이 연구를 두고 핵융합 ‘발전소;니 ‘상용화’니 주장하는 것은 사기극이라고 지탄받을만 하다.
인간을 불멸의 존재로 만들기 위한 연구에 구글 등이 엄청난 비용을 투자하고 있다. 이미 현실성도 경제성도 없어서 대부분의 나라에서 포기한 고속로를 빌게이츠는 꿈의 원자로라고 하하면서 투자한다.
민간자본이 스스로의 판단에 의해 그런 기술에 투자하는 것은 자유다. 국민세금을 투여하는 것에는 다른 판단이다.
인간의 노화 메카니즘을 연구하고 노화를 되돌리는 연구도 계속되고 있다. 핵융합도 연구를 게속 할 수 있을 것이다. 핵융합 연구 과정에서 재료기술과 제어기술 등의 연구도 덩달아 지원받을 수 있다. 당장에 돈이 되지 않더라도 과학연구 그 자체로서 의미있는 지원은 가능하다.
하지만 연구 성과도 별로 없는 국제핵융합실험로에 산업부와 과기부가 각각 같은 명복으로 연간 340억씩 돈을 내고 아직 실험로에서 성공하지도 못한 핵융합을 발전소로 상용화하겠다고 국가 핵융합연구소 만들어 매년 800억을 쓴다는 건 합리적인 예산집행이 아니다. 그동안의 연구성과를 객관적으로 평가할 때이다.
 
태양의 핵융합 에너지로 충분
그 핵융합 연구가 전기 생산이 목표라니 한참 어긋난 얘기다. 더구나 이제와서는 기후위기를 극복하는 발전원이라고까지 포장한다는 것은 어불성설이다.
이미 태양광, 풍력, 바이오 등 다양한 형태의 에너지로 인류는 전기를 풍족하게 쓸 수 있는 기술이 개발되었고 상용화되었으며 그 어떤 발전원보다도 경제성 있는 것으로 판명되고 있다. 이제는 최종에너지의 20% 정도인 전기비중을 최종에너지 전체의 전기화로 진전되는 중이다. 이를 넘어 산업공정에서 화석연료가 아예 필요없는 단계로까지 나아가고 있다.
전 세계 사막에 6시간 동안 내리쬐는 태양에너지가 인류가 1년 동안 사용하는 에너지양과 맞먹는다거나 사하라 사막의 1.2%를 태양광 패널로 덮으면 전세계 에너지수요를 충당할 수 있다는 얘기는 흔한 얘기이다.
문제는 지구로 전달되는 태양에너지가 밀도가 낮아서 이를 인류가 쓸 수 있는 밀도가 높은 에너지로 바꾸는 방법이다. 과학기술의 발전이 이것을 가능하게 하고 있다. 가정에서 쓰는 전기만이 아니라 한 나라가, 세계 전체가 재생에너지 100%로 난방, 수송, 산업 전체의 전기를 감당하는 세계는 그리 멀지 않았다. 전자전기 그리고 ICT 기술의 발달 덕분이다.
국가 예산은 국민들의 세금으로 구성된다. 국가 예산은 한정되어 있다. 어디에 돈을 써야 할지 판단을 해야 한다. 지난 수십 년간 국가 예산을 투입했지만 여전히 실현가능성이 희박하다면 판단을 해야 한다. 더구나 저 예산의 목적을 살펴볼 필요가 있다.
핵융합 반응을 성공하기 위한 과학연구가 목적인가. 핵융합발전소를 상용화해서 전기를 얻는 것이 목적인가. 후자라면 하루빨리 접는 게 현명하다.

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