[최준호의 사이언스&] 핵융합·태양광·수소, 인류를 에너지 문제에서 해방할까

석유 등 화석연료 한정돼 있고
온실가스 뿜어 기후이변 속출
태양 원리가 미래 에너지 대안
핵융합발전 2050년 상용화 전망

최준호 과학&미래 전문기자

“오늘은 역사적 순간입니다. 인류가 화석연료의 대안을 가능한 한 빨리 찾아야 한다는 것은 우리 모두가 아는 사실입니다. 핵융합발전은 안전하고 믿음직스러우며 환경적으로 지속가능한 무한 에너지입니다. 핵융합발전이 보편화한다면, 전기 에너지는 굉장한 규모로 확대될 수 있습니다.”

지난달 28일(현지시간) 프랑스 남부 카다라슈 현지에서 열린 국제핵융합실험로(ITER) 장치 조립 기념식에서 베르나르 비고 ITER 국제기구 사무총장이 한 발언이다. 이날 행사에는 에마뉘엘 마크롱 프랑스 대통령의 환영사는 물론 한국과 중국·미국 등 회원국 정상의 영상 축하 메시지도 발표됐다.

비고 총장의 말처럼 인류가 에너지 문제에서 자유로워질 수 있을까. 그게 가능하다면 언제쯤일까. 그것도 지구온난화를 불러일으키는 온실가스를 만들어 내지 않는 에너지로 말이다.

국제핵융합실험로(ITER) 장치조립 착수 기념식이 지난달 28일 프랑스 카다라슈 ITER 건설현장에서 열렸다. 사진은 ITER 토카막 피트 베이스 설치 모습. [사진 ITER]

한여름 폭우가 계속되는 한반도와 섭씨 51.5도의 상상하기 힘든 혹서가 몰아치고 있다는 중동, 당장 지구촌 곳곳에 맞닥뜨리고 있는 기후 이변은 에너지 문제에서 촉발됐다는 건 익히 아는 바다. ‘범인’은 원자번호 6번, 탄소(C)다. 탄소가 함유된 화석연료가 타면서, 이산화탄소(CO2)를 만들고, 이것이 하늘로 올라가 이불처럼 대기권을 뒤덮어 지구온난화를 일으킨다. 석탄이든 석유든, 심지어는 청정에너지라 자랑하는 천연가스조차도 이런 탄소를 가지고 있다.

석탄과 석유·천연가스가 없는 세상의 궁극적 대안 에너지는 뭘까. 과학자들은 이제 땅속이 아닌 태양 에너지를 말한다. 과학자들의 전망에 따르면 21세기가 가기 전 인류를 에너지로부터 자유롭게 해줄 강력한 발전원 후보로 핵융합과 태양광이 손꼽힌다.

스위스 남서부 부르 생 피에르의 산악지대에 있는 호수에 부유식 태양광 패널이 설치돼 있다. [AP=연합뉴스]

핵융합발전은 태양이 영겁의 세월을 거쳐 불타고 있는 원리를 그대로 가져왔다. 수소의 원자핵이 충돌해서 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 태양 에너지의 원천이다. 수소 핵융합 과정에서 약간의 질량이 줄어드는데, 이 질량이 에너지로 변해서 태양을 타오르게 한다. 핵융합발전도 똑같은 원리로 수소를 연료로 사용한다. 수소는 지구의 3분의 2를 덮고 있는 물(H2O)의 주요 원소다. 방사성 물질도 아니고, 온실가스를 배출하는 것도 아니기 때문에 환경 문제를 걱정할 필요도 없다. 이런 점들 때문에 핵융합에너지는 ‘꿈의 에너지’라 불린다.

문제는 꿈의 에너지를 지구상에서 실제로 구현하기가 쉽지 않다는 점이다. 수소 핵융합을 일으키려면 섭씨 1억도 이상의 온도를 유지해야 하는데, 1억도의 온도를 올리는 것도, 그 정도의 온도를 담아낼 ‘그릇’도 만들기 어렵기 때문이다. 이 때문에 1955년 처음 제기된 핵융합발전은 수십년간 이론으로만 존재했다. 하지만 과학기술의 발전은 생각보다 빨랐다. 2006년 ITER 프로젝트가 공식 출범하고, 2010년부터 공사를 시작했다. 현재 계획대로라면 ITER는 오는 2025년 첫 불을 지피고, 2050년이면 상용화에 들어갈 수 있을 것으로 전망된다. 이미 중국 등 앞선 국가들은 핵융합발전을 위한 실증로 건설 작업에 들어갔다. 핵융합이 머잖은 미래에 꿈이 아닌 현실의 에너지가 될 수 있다는 얘기다.

이미 신재생에너지의 대표주자로 떠오른 태양광발전도 제대로만 개발된다면 엄청난 발전원이 될 수 있다. 지구에 쏟아지는 태양에너지는 전 세계 에너지 소비의 약 1만배에 달한다. 테슬라의 창업주 일론 머스크는 “태양광만으로도 인류가 필요한 모든 전기에너지를 만들어 낼 수 있다”고 말하기도 했다. 정증현 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터장은 “현재 두루 쓰이는 실리콘 기반 태양광 전지는 최고 26%의 발전효율을 보이고 있지만, 인공위성 등에 쓰이는 특수 태양전지의 경우 47% 이상의 효율이 나오고 있다”며 “앞으로 80년 뒤인 22세기의 태양광 발전은 인간이 헤아리기 어려울 정도로 발전해 있을 것”이라고 말했다.

에너지 별 수소(H) 대비 탄소(C) 비율

에너지 전문가들은 미래 에너지는 핵융합과 태양광·수소가 공존하는 형태가 될 것이라고 전망한다. 지난해까지 ITER 사무차장을 지낸 이경수 박사는“핵융합이 지금의 원자력발전처럼 기저부하의 임무를 맡고, 태양광이 낮 동안 전기에너지를 생산하며 보조역할을 하면 된다”며 “핵융합이나 태양광 발전으로 남아도는 에너지는 물의 전기분해를 통해 수소(H)를 생산·저장했다가, 연료전지 발전의 형태로 꺼내어 쓸 수 있다”고 말했다.

이쯤 되면 ‘기술결정론이 그리는 유토피아’라는 비판이 나올 수 있다. 옳은 지적이다. 핵융합과 태양광 기술이 숙성할 때까지 인류는 화석연료의 부작용인 지구온난화와 기상이변에서 살아남을 수 있을까. 스웨덴의 소녀 환경운동가 툰베리는 “총체적 기후위기로부터 지구를 살려낼 수 있는 시간은 오직 8년 남았다”고 외친다. 갖은 수단을 동원해서라도 당장의 화석연료 사용을 크게 줄여야 한다는 얘기다. 이 때문에 세계 곳곳에서 애물단지 신세가 된 원자력발전이 당장의 대안으로 강력히 거론되고 있다. 마이크로소프트의 창업자 빌 게이츠가 지구온난화 위기의 대안으로 4세대 원전을 주장하는 이유이기도 하다.

꿈의 에너지 세상은 먼 미래가 아니다. 기자도 최소 30~40년은 더 살 것이고, 아들·손자 세대는 22세기까지 뻗어 있을 것이다.

최준호 과학&미래 전문기자