유럽 핵융합로 '제트' 2배 에너지 생성..'인공태양' 구현 새 이정표

미래 에너지원으로 기대를 모으는 핵융합 에너지 연구가 새로운 이정표를 썼다. 영국원자력청(UKAEA)은 현재 최대 규모의 실제 핵융합 연구장치 ‘제트(JET, Joint European Torus)’ 실험에서 1997년 실험에서 이뤄낸 기존 기록의 두배를 넘는 핵융합에너지를 24년만에 생성하는 데 성공했다고 9일(현지시간) 밝혔다.

UKAEA는 제트를 활용한 최근 핵융합 반응 실험에서 5초 동안 약 59메가줄(MJ)의 열에너지를 생성했다고 밝혔다. 이를 전력량으로 확산하면 약 11메가와트(MW)에 달하는 수준이다. UKAEA의 컬햄핵융합에너지센터(CCFE)에 있는 제트의 과학적 운용은 ‘유로퓨전(EUROfusion)’으로 불리는 유럽 내 협력으로 이뤄진다.

핵융합은 가벼운 원자핵인 중수소와 삼중수소가 합쳐져 더 무거운 원자핵으로 바뀌는 과정이다. 이 과정에서 일부 줄어든 질량만큼 중성자가 튀어나오는데 이때 중성자가 갖고있는 엄청난 에너지를 열에너지로 변환, 터빈을 돌려 전기에너지로 바꾸는 게 핵융합 발전의 원리다.

핵융합 반응이 일어나려면 1억도 이상 초고온 상태의 플라스마(원자핵과 전자가 분리된 이온 상태)가 필요하다. 태양은 자체 질량과 중력으로 초고온 플라즈마 상태를 스스로 만들지만 지구에서는 1억도의 초고온 플라즈마를 인위적으로 만들어야 한다. ‘토카막’으로 불리는 도넛 형태의 핵융합 장치 안에 강력한 자기장을 내는 초전도 자석을 설치해 초고온 플라즈마를 가두는 방식이 주로 활용된다.

제트 내부에서 중수소와 삼중수소가 핵융합 반응을 일으켜 열에너지를 내고 있다. 유로퓨전 제공.

제트를 포함해 한국형 초전도핵융합연구장치(KSTAR)도 모두 토카막 형태의 핵융합 실험 장치다. 하지만 중수소와 중수소의 핵융합 반응을 실험하는 KSTAR보다 규모가 10배 가량 큰 제트는 실제 상용 핵융합 반응을 위한 중수소와 삼중수소의 핵융합 실험이 가능한 장치다.

지난해 12월 21일(현지시간) 제트는 중수소와 삼중수소의 핵융합 실험을 진행했다. 이는 제트가 1997년 중수소와 삼중수소의 핵융합 실험을 진행한 지 24년만이다. 이번 실험에서 제트는 5초 동안의 핵융합 반응으로 59MJ의 열에너지를 생성했다. 약 4초간 21.7MJ의 열에너지를 생성한 1997년보다 두배 이상의 결과를 얻었다.

핵융합 반응을 위해 투입한 에너지 대비 출력에너지 비율을 나타내는 ‘Q’값은 0.33에 불과하다. 투입 에너지보다 더 많은 에너지를 생성하려면 Q값이 1 이상이어야 하지만 아직 이에 미치지는 못하는 셈이다.

윤시우 한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구본부장은 “Q값이 1보다 작지만 1997년 실험에 비해 두배 이상의 성과를 거둔 명확한 세계기록”이라며 “제트와 설계가 유사한 ITER를 통해 상용화 가능한 핵융합 반응을 구현할 수 있다는 점을 보여줬다”고 설명했다. 이안 채프먼(Ian Chapman) CCFE 센터장은 “제트와 유사하지만 규모가 10배 큰 국제핵융합실험로(ITER)가 제대로 작동할 수 있다는 점을 입증했다”고 말했다.

[김민수 기자 reborn@donga.com]