<2008 신년특집>핵융합에너지 개발을 선도하는 한국의 태양 ‘KSTAR'
<2008 신년특집>핵융합에너지 개발을 선도하는 한국의 태양 ‘KSTAR'
  • 권석림
  • 승인 2008.01.01 09:00
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올해는 차세대 청정 대용량 에너지로 각광받는 핵융합 시대가 본격 개막될 전망이다.
'에너지 독립국'으로 가는 첫걸음을 내딛는 것이다.

지난해 9월 대전시 대덕연구단지 내 '국가핵융합연구소'에서 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 핵융합 에너지 개발을 위한 초전도핵융합연구장치(KSTAR) 완공식을 개최했던 과학기술부는 종합시운전을 거처 올 하반기 본격적인 가동을 목표로 하고 있다.

KSTAR는 국제핵융합실험로(ITER)의 약 25분의 1 규모로 ITER 완공 때까지 건설 및 운영에 필요한 기초실험 자료를 상호 보완적으로 제공하며, 한국형 핵융합실증로 건설에 필요한 독자적 연구를 수행하게 된다.

지난해 완공식에는 김우식 과학기술부 부총리를 비롯한 정부 인사들과 KSTAR 장치 개발에 참여한 산학연 관계자 및 미 일 중 러시아 등의 핵융합 기관장 및 전문가, ITER 참여국 주한 외교사절 등 약 400여명이 참석해 KSTAR가 대내외적으로 집중 조명을 받았다.

지난 12년 동안 총 3090억원의 예산을 투입해 개발된 KSTAR 장치는 기존의 핵융합 연구장치와 달리 전체가 고성능 초전도자석으로 제작된 세계적인 수준의 첨단 핵융합 연구장치로 그간 핵융합에너지 상용화에 필요한 '장시간 플라즈마 운전 기술 확보'를 목표로 한다.

특히 2015년 완공을 목표로 한국을 포함해 7개 선진국이 공동 개발중인 ITER와 가장 흡사한 선행 모델로서 국제적인 관심을 받고 있다.

KSTAR 장치 개발사업은 핵융합 기술의 불모지였던 한국이 선진국 수준의 핵융합 연구개발 능력을 확보하기 위해 의욕적으로 추진한 국책연구사업이다.

과기부는 사업 초기부터 산학연간의 유기적인 협력체계 하에서 전 공정이 자체 개발돼 관련 기술을 독자적으로 확보했다는 점에서 큰 의미를 지니고 있다고 설명했다.

과기부는 이 과정에서 확보된 기술력과 성과는 한국이 미국, EU 등 선진국이 주도하는 국제 핵융합실험로 공동개발사업에 참여할 수 있는 기반이 됐다고 평가했다.

1995년 12월부터 시작된 KSTAR 사업은 KSTAR 장치의 개념설계 수행 등 '3단계 사업계획'에 따라 체계적으로 추진됐다.

이후 작년 8월 가동에 필요한 단계별 진공시험 달성 및 진단, 제어계 등 부대장치 연결을 끝으로 완료됐다.

과기부는 KSTAR 개발 과정에서 세계 최고 성능의 초전도체 제작기술 개발, 국내산업체의 세계적 기술 경쟁력 강화 등을 통한 신산업 창출 기반 마련 등의 평가를 받고 있다고 밝혔다.

이상목 과기부 기초연구국장은 "KSTAR 장치는 개별 및 종합운전을 거쳐 장치의 우수성을 확인했다" 며 "선진국 수준의 장치 운전 기술 확보 및 R&D 전문인력 양성의 산실로 활용될 것"이라고 말했다.


◆ 개발 동기
우리나라는 기술에너지로 평가받을 수 있는 신재생에너지 개발 시장이 매우 작기 때문에 활발한 연구 활동이 진행되지 못하고 있다. 모두 정부의 연구지원에 의존하고 있어 세계 기술 수준의 50% 정도의 기술 능력에 머무르고 있다.

따라서 2006년 기준으로 보면 우리는 총 1차에너지의 2.27% 정도만 신재생에너지가 담당하고 있어서 2011년까지 5%의 1차에너지를 신재생에너지로 공급하려는 정부 계획의 실현성을 매우 낮게 만들고 있다.
이에 대한 현실적 대안으로 떠오르고 있는 것이 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 고성능 초전도자석으로 제작된 첨단 핵융합연구장치이다.

 

핵융합반응은 무거운 수소원자가 어느 환경에서 서로 결합해 에너지와 중성자 그리고 알파 입자를 만들어내는 반응을 말한다.

현재 원자력발전이 중성자에 의한 핵분열을 이용한 것이라면 핵융합반응은 그 반대되는 반응이다.

핵융합반응은 적은 수소연료로 많은 에너지를 얻을 수 있지만 지구상에서 이 반응을 실현시키려면 보통 1억도 이상의 고온 플라즈마를 핵융합반응이 일어날 만큼 충분히 긴 시간 동안 가둬두는 기술이 필요한데 지금까지는 재료와 제어기술이 충분히 개발되지 못해서 핵융합에너지를 상용화할 수 없었다.

현재 핵융합반응에서 에너지를 추출하는 방법을 통해 자기장으로 전기를 띤 플라즈마를 가두는 성질을 이용하는 자기핵융합방식과 사방에서 강력한 레이저나 이온빔으로 연료구슬을 쏘아 표면에서 폭발을 일으키고 그 반작용으로 생기는 압축력에 의해 순간적으로 핵융합반응 조건을 만드는 관성핵융합방식 등이 연구되고 있다.

1995년 이후 현대 과학기술의 성취는 이 두 방식 모두 과학적 개념연구를 벗어나 공학적 실증단계에 진입하도록 만들었다.

그러나 1990년 이후 예상을 뒤엎고 영국(유럽연합의 JET), 미국(TFTR), 일본(JT-60U)에서 거대 자기핵융합방식의 연구로가 성공적으로 가동되면서 초기 핵융합발전방식으로 자기핵융합방식이 더 유망하게 평가받고 있다.

우리나라는 뒤늦은 출발에도 불구하고 차세대 핵융합로의 필수적 기술인 초전도 자석기술과 첨단 제어기술을 통한 고성능 플라즈마 생성 및 유지 기술을 연구할 수 있는 KSTAR 장치를 작년 8월 성공적으로 건설해 세계 수준의 핵융합 연구가 가능한 기반을 갖추게 됐다.

특히 KSTAR는 초전도자석을 이용한 강력한 자장을 통해 작은 규모로 강력한 플라즈마를 생성할 수 있어서 핵융합에너지의 경제적 상용화를 앞당길 수 있기 때문에 세계가 주목하고 있다.

우리는 KSTAR를 건설하는 과정에서 2003년 핵융합 선진 7개국이 공동으로 개발하는 ITER 프로젝트에 참여하게 됐고 따라서 핵융합발전로로 가는 데 필요한 공학 실증기술 확보를 위한 교두보도 마련한 셈이다.

지난해 우리나라는 우리의 우수한 원자력발전 기술을 접목해 한국형 핵융합발전로를 2030년대까지 설계할 수 있는 모든 원천기술 자립을 목표로 하는 ‘국가핵융합기술개발 로드맵’을 만들었고 이를 뒷받침하기 위한 ‘핵융합에너지 기술개발 기본계획’과 ‘핵융합에너지개발진흥법’까지 제정해 미래 에너지원의 개발에 필요한 법적, 제도적 장치를 구축했다.

신재인 국가핵융합연구소장은 “KSTAR를 잘 활용해 고성능 플라즈마 기술, ITER를 통해 실제 발전에 사용할 중수소·삼중수소 연료주기 기술 그리고 핵융합반응 에너지를 열에너지로 변환시키는 블랑켓 기술을 확보하고, 발전로의 경제성을 향상시킬 수 있는 재료 연구를 병행해 나가면 한국형 상용 핵융합발전소를 세계 처음으로 건조하는 꿈도 이룰 수 있을 것”이라고 강조했다.


◆ 발전원가 1kW당 30~100원
핵융합에너지로 2040년경 발전을 할 경우 발전원가는 1kW당 30~100원 정도가 될 것으로 예측하고 있다.

그 시기에 현재 발전단가가 가장 저렴한 원자력의 경우 발전원가는 45원 정도로 추산되고 있다.

핵융합에너지는 안전성이 높고 환경 폐기물의 배출이 매우 적기 때문에 사회적 비용은 다른 에너지원에 비해 매우 낮아 추가적인 큰 매력도 갖고 있다.

핵융합에너지는 발전 이외의 목적으로도 사용할 수 있다.

우선 수소를 만들어 수소경제시대를 개척할 수 있고 의료용의 방사성동위원소 생산, 독성이 강한 고준위방사성페기물의 처리(원소변환), 우주로켓 추진체 등에 이용할 수 있다.

이외에도 파생기술로 얻어지는 플라즈마 기술, 초전도, 고진공 기술 등은 반도체·의료기기·조선․소재산업 등에서 크게 활용될 수 있다.

특히 소재산업과 기계산업은 고효율, 첨단기술들이 핵융합발전연구에서 많이 개발될 수 있어 수출산업의 품질을 높일 수 있다.

핵융합 기술은 이제 인류의 지속가능한 미래를 위해 필요한 에너지원이 될 가능성 검증을 끝내고 2040년 상용화를 목표로 하는 실증단계에 들어섰다고 볼 수 있다.

이미 에너지 증배율(얻은 에너지/사용한 에너지)이 1을 넘어섰고 플라스마 온도는 섭씨 4억도를 넘었다. 따라서 한정적인 연료의 매장량과 지역편중에서 자유롭고, 안전하고, 깨끗한 핵융합에너지를 활용하는 기술을 세계에서 제일 먼저 개발하면 환경과 경제성 문제를 한꺼번에 해결할 수 있다.

특히 미래 2조달러 이상의 극동 지역 에너지시장에서 새로운 블루오션을 창출해낼 거대한 우리의 경제적 힘의 원천이 될 것으로 예측된다.


◆ 핵융합에너지 상용화 위해 세계가 모였다
국제핵융합실험로(ITER) 공동개발 프로젝트는 지난해 10월24일 ITER 공동이행협정 발효와 함께 ITER 국제기구가 정식 출범됐다.

국가핵융합연구소(NFRI)에 따르면 ITER 공동개발 프로젝트는 에너지 위기와 지구 온난화 해결책으로 기대되는 핵융합에너지의 상용화를 위해 7개국이 국제공동으로 추진하는 계획으로 본격적인 핵융합 상용화 시대를 맞이할 기틀을 마련하게 됐다고 설명했다.

이 프로젝트에는 우리나라를 포함해 유럽연합(EU), 미국, 일본, 러시아, 중국, 인도 등 7개국이 함께 참여하고 있다.

이는 참여 7개국의 국내 비준ㆍ동의의 모든 절차가 완료됐음을 의미하는 것이다.

또한 1985년 레이건 미국 대통령과 고르바초프 소련 공산당 서기장 간의 정상회담에서 합의된 ITER 프로젝트가 20년간의 긴 '태동기'를 마치고 새롭게 시작하는 중요한 전환점으로 평가될 수 있는 역사적인 사건이라고 핵융합연구소는 전했다.

ITER 참여국들은 ITER 국제기구를 성공적인 국제협력의 모델로서 운영되도록 자국의 ITER사업 수행체계를 정비하고 성공적인 ITER 건설을 위해 국내 핵융합 연구역량을 강화해 나갈 계획이다.

우리나라는 국가핵융합연구소 ITER 한국사업단을 ITER사업 국내전담기구로 지정하고 이경수 박사를 ITER 한국사업단장으로 지정ㆍ임명하는 등 효율적인 ITER 사업의 수행체계 구축을 완료한 바 있다.

이와 함께 참여국으로서의 책임감과 비전을 갖고 핵융합상용화 원천기술 확보를 위해 다양한 국적의 핵융합 선진국 인재들과 융합해 ITER 건설을 성공적으로 추진해 나갈 방침이다.


◆ '핵융합 에너지' 연구개발 개요.
과기부는 2006년 12월 제정된 '핵융합에너지개발진흥법' 시행령이 2007년 3월 국무회의 심의를 거쳐 같은 달 27일 시행에 들어갔다. 이로써 대용량ㆍ고효율 에너지원으로 기대되고 있는 핵융합 에너지 연구개발 사업이 본격화됐다.

시행령은 핵융합 에너지의 연구ㆍ개발ㆍ생산ㆍ이용에 관해 5년 단위로 '핵융합에너지 진흥기본계획'과  세부 추진계획을 수립, 시행토록 하고 있으며 핵융합에너지 개발정책을 중ㆍ장기적으로 수립하고 시행하는 데 필요한 세부사항을 규정했다.

또 핵융합에너지 개발 및 이용에 관한 중요 사항을 심의․의결하기 위한 기구로 과학기술 부총리를 위원장으로 관계부처 차관 및 민간전문가 등이 참여하는 15명 이내의 '국가핵융합위원회'를 구성, 운영토록 했다.

이외에도 핵융합 에너지 연구개발 사업을 위한 전문 기관의 지정, 핵융합 분야 전문인력 양성 계획, 연구개발 시책 및 장비확충시책 수립 등의 내용을 담고 있다.

과기부는 "핵융합에너지 시행령이 시행됨에 따라 국가핵융합에너지 개발계획의 국가적인 관리체계 및 지원방안을 위한 법적근거가 마련됐다"면서  "이를  바탕으로 핵융합에너지개발 진흥기본계획을 수립, 체계적인 핵융합에너지 개발의 방향 설정과 로드맵을 도출할 계획"이라고 말했다.


◆ 역할 및 기대효과
KSTAR는 기존 핵융합장치들이 해결할 수 없었던 핵융합 상용화를 위한 필수과제인 ‘장시간 핵융합 플라즈마 운전’과 ‘제어기술 습득’을 목적으로 하는 중요한 장치며 ITER 가동 전까지 세계 핵융합연구를 선도한다.

KSTAR 건설로 핵융합에너지는 상용화 시대에 최소 8000억 달러 시장이 형성될 예정인 극동지역 핵융합발전소 건설시장을 선점할 수 있다.

상용화 시대에 상업적으로 최적화된 1.5GWe 발전소 건설비용은 약 40억 달러로 추정되며 극동지역의 발전소 수요는 약 200기가 될 전망이다.(출처:국가핵융합에너지 개발기본계획 수립에 관한 연구, 2005)
건설과정에서 획득한 초전도, 초고온ㆍ극저온 기술, 빔기술 및 플라즈마 기술 등을 통한 신산업 창출도 가능하다.

예컨대 플라즈마를 이용한 LCD 제조장비 실용화를 통해 2010년 해당산업의 국내시장과 수출시장을 각각 30%, 15% 점유해 약 2조원의 경제효과와 1만개의 일자리를 창출할 수 있다.


◆ 향후 운영계획
올 11월까지 주장치, 부대장비 및 부대설비의 종합 시운전을 통해 시스템 전체 운전시험을 완료하고 올 하반기 최초의 플라즈마 발생을 수행할 예정이다.

핵융합 기초연구를 통한 선진국 수준의 연구역량을 지속적으로 강화하고 장치운전 및 R&D 전문인력도 양성할 방침이다.

또한 고효율 플라즈마의 장시간 운전기술을 확보하고 블랑켓 등 재로의 특성연구를 수행해 핵융합 발전로 핵심기술도 개발할 계획이다.

KSTAR 중장기 운영계획을 수립하고, 단계별로 성능향상 및 연구능력 수월성 확보를 위한 목표를 마련, 2040년대 한국형 핵융합발전소 건설을 위한 견인차 역할도 할 예정이다.


▲핵융합에너지
핵융합에너지란 태양이 열을 내는 것과 같은 원리로, 수소 원자핵끼리 합쳐지면서 열을 내뿜는 것을 말한다.

원자력 발전과는 반대되는 물리현상으로, 대용량 고효율 무한 청정에너지로 손꼽히고 있다. 현재 전 세계적으로 미래 대체에너지로 개발이 진행 중이며, 2040년경 상용화될 전망이다.

핵융합에너지는 이산화탄소 발생이 없어 지구온난화를 야기하는 온실가스를 배출하지 않는다.

폐기물 또한원자력발전의 0.04%에 불과한 소량의 방사능에 의한 중, 저준위 폐기물이 일부 발생하지만, 10년에서 길어도 100년 이내에 모두 재활용이 가능하다.

따라서 원자력발전처럼 장기적인 폐기물 처리시설이 필요치 않다. 또한 연료공급이 중단되면 1~2초 내로 운전이 자동 정지돼발전소 폭발, 방사능 누출 위험이 전혀 없어 안전하다.


▲국가핵융합연구소
국가핵융합연구소(NFRI)는 대용량 클린에너지로 기대를 모으는 핵융합에너지를 개발하는 국내 유일의 핵융합 전문연구기관이다. 1995년 기초과학지원연구원의 핵융합연구개발사업단으로 시작해 2005년 10월 부설연구소 ‘핵융합연구센터’로 출범했으며, 2007년 9월 1일부터 국가핵융합연구소로 명칭을 변경했다.

국가핵융합연구소는 지난 12년간 ‘차세대초전도핵융합연구장치(KSTAR)’ 사업을 이끌며 선진국 수준의 핵융합 연구능력과 독자적인 핵융합에너지 기술을 축적해 왔고, 작년 9월14일 KSTAR 장치조립 완공식을 가졌다.

또한 EU, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 주요 선진국들과 공동 개발해 2015년 완공예정인 ‘국제핵융합실험로(ITER)’의 국내 전담기구 역할을 하고 있다. 


◆ KSTAR 10대 기술 성과
세계 최고 성능의 초전도 도체 제작기술
토카막 정밀 조립기술
초전도자석 설계ㆍ제작기술
고효율 반도체형 전원공급장치 제작기술
대형 초전도자석극저온 시험기술
플라즈마 진단 및 장치 정밀제어기술
대전류 송전시스템 설계․제작 기술
초고원 플라즈마 가열기술
대용량 진공 및 단열 차폐기술
극저온 헬륨설비 설계 및 운영기술


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