인공태양 연구와 국제 동향
2019-11-27
org.kosen.entty.User@79567413
전창훈(cjun0828)
인공태양 연구와 국제 동향
전창훈, cjun0828@msn.com
ITER International, France
Key words
Nuclear Fusion, Plasma, Tokamak, Tritium, Stability, ITER Project, Nuclear Safety
핵융합, 플라즈마, 토카막, 삼중수소, 안정성, 이터 프로젝트, 원자력 안전
1. 머리말
본 보고서는 ‘인공태양’이라고 불리는 핵융합의 원리 그리고 현재 프랑스 남부에서 진행 중인 ITER 프로젝트와 여러 나라들의 개별 핵융합 연구의 동향에 관한 개괄적인 보고서이다. 이미 해당 전문가들은 내용을 상세하게 알고 있을 것이므로, 이 보고서는 일반 과학기술자들의 이해를 돕기 위하여 작성되었다. 인터넷상에서의 여러 천편일률적인 설명을 따르지 않고 필자만의 시각으로 원리를 설명하려고 시도하였으나, 쉽게 설명하려는 의도는 과학적 엄밀성을 해칠 수 있으므로 다른 자료와 보완하여 참고하길 바란다. 핵융합 장치의 사진이나 물리학 수식들은 인터넷 검색으로 쉽게 찾을 수 있어 지면 관계상 본 보고서에서는 생략하였다.
1.1. 핵융합
1.1.1. 역사
1920년대에 영국의 천문학자 Eddington(1882~1944)은 태양이 수소 핵융합반응으로 유지될 것이라는 제안을 했다. 그는 1919년에 태양 근처를 지나는 빛의 굴절을 관측한 사진으로 Einstein의 특수상대성 이론을 입증하는 데 기여한 천문학자이다. 제1차 세계대전 직후인 당시 영국에서는 전쟁에서 적국이었던 독일의 과학자 아인슈타인이 제안한 학설을 배제하고 싶어하는 과학자들이 많았지만, 에딩턴은 국경을 초월하여 아인슈타인에게 명예가 부여될 과학적 사실을 널리 알린 사람이다. 그 후 1934년 영국 케임브리지 대학에서 Rutherford(1871~1937, 1908년 노벨 화학상 수상) 팀에 의해 최초로 인공 핵융합반응이 시연되었다고 한다. 냉전시대에는 미국과 소련으로 나뉘어 핵융합반응을 이용한 수소폭탄 연구가 비밀리에 진행되었으며 1952년에 미국이, 1953년에 소련이 수소폭탄 폭발 시험에 성공하게 된다. 1950년대 말에는 수소폭탄을 연구하던 소련 과학자 Sakharov(1921~1989, 인권운동으로 1975년 노벨 평화상 수상)와 동료들에 의해 도넛 형태의 Tokamak이라는 핵융합 장치가 고안되었으며, 이때부터 영국과 미국, 소련을 중심으로 에너지원으로서의 핵융합 연구가 활발하게 진행되었다.
수소폭탄이라는 첨단무기가 관계된 연구였기에 극비리에 핵융합 연구가 진행되었지만, 무기 분야에서는 단시간에 폭발을 통한 핵융합반응을 쉽게 달성했던 것과 달리, 에너지원 분야에서는 긴 반응시간과 적당한 밀도의 에너지를 얻을 수 있는 반응을 구현하는 것이 어려웠다. 좀처럼 에너지원으로의 핵융합 연구가 돌파구를 찾지 못할 즈음 소련에서 먼저 자신들의 연구 성과를 공개하여 공동연구를 향한 첫걸음을 딛게 되었다. 이때부터 세계 도처에는 여러 개의 핵융합 장치들이 건설되었으며, 1980년대 이후에 건설된 대형 장치로는 미국 프린스턴의 TFTR, 영국 옥스퍼드 근교의 JET, 일본 나리타 공항에서 멀지 않은 JT-60 등이 있다. 한국에서는 2007년에 완공된 KSTAR 핵융합 장치가 대전 국가핵융합연구소 내에 설치되어 있다.
한편 제2차 세계대전이 끝나고 미-소가 수소폭탄 실험을 끝낸 1953년 12월 8일, 미국 대통령 아이젠하워는 유엔총회 연설에서 “Atoms for Peace”라는 연설을 한다. 원자력을 군사적 목적이 아닌 민간 차원에서 평화적으로 이용하자는 연설이었다. 세월이 한참 지나 핵융합 분야에서도 이와 비슷한 선언이 이루어졌다. 1985년 제네바에서 미국 대통령 레이건과 소련 정상 고르바초프 간에 ‘핵융합에너지 연구로 인류에게 커다란 공헌’을 남기자는 합의가 서명되었다. 본 합의를 바탕으로 핵융합 분야에서 국제 공동연구가 모색되었으며, 2001년부터 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)라는 이름의 프로젝트를 만들고 회원국이 형성되었다. 한국과 중국도 2003년에 가입하였고, 인도가 2005에 추가로 가입하여 세계적인 공동 프로젝트 ITER가 시작되었다. 핵융합 장비는 프랑스 남부에 건설하기로 결정되었으며, 2007년 10월 24일 정식으로 ITER 국제기구가 출범하게 되었다.
1.1.2. 개념
아주 무거운 물질인 우라늄에 중성자를 충돌시키면 분해되어 좀 더 가벼운 물질로 바뀌면서 동반되는 약간의 질량결손 때문에 엄청난 에너지가 발생되는 현상이, 현재 원자력발전에 이용되는 핵분열반응이다. 물질이 분해될 때만이 아니라, 결합되어 다른 물질로 바뀔 때도 일부 질량결손이 생겨 엄청난 에너지가 발생한다는 것도 밝혀졌다. 이때 말하는 결합은, 물질 바깥 궤도의 가전자 교환으로 이루어지는 화학결합(공유결합, 이온결합)과 다르게, 양성자와 중성자로 구성된 원자핵끼리의 결합을 말한다. 하지만 물질을 결합시키려고 서로를 가까이에 붙이면 각각의 원자핵은 양성자여서 엄청난 반발력이 작용하는데, 쿨롱의 법칙에 따르면 반발력은 거리가 가까워질수록 커지기 때문에 쉽게 핵결합이 발생하지 않는다. 결국 핵융합반응은 극도의 높은 온도에서 핵 주위의 전자층을 모두 해리시킨 플라즈마 상태를 만든 후, 다시 원자핵 간에 급격한 충돌이 일어날 수 있게 원자핵들의 에너지준위를 높여야 가능하다. 아주 빠른 속도로 원자핵들이 충돌하면 가끔씩 전기력에 의한 반발력을 이겨내고 서로 간의 거리를 좁혀 핵융합이 일어나는 것이다. 지나온 연구를 통해 이런 모델로 가장 쉽게 핵융합이 일어나는 원소를 찾았는데, 그것은 (이)중수소와 삼중수소 간의 핵융합반응이다. 둘 다 수소의 동위원소이며, 일반 수소는 핵에 양성자만 하나를 가지며 중성자가 없지만, 중수소는 핵에 양성자 하나와 중성자 하나, 삼중수소는 양성자 하나와 2개의 중성자를 가진다. 이 둘이 결합하면 핵에 양성자가 둘이고 중성자가 2개인 헬륨으로 변하면서 중성자 하나를 내어놓는 반응과 동시에 에너지를 발산하는 것이다. 이것이 가장 보편적인 핵융합반응이다. 중수소는 바닷물에 많이 존재하지만, 삼중수소는 핵융합 장치의 내부에 설치한 리튬에 중성자를 충돌시켜 인위적으로 만들거나 사용 후 재처리를 거쳐 회수해야 한다. 천연우라늄을 농축하지 않고 그대로 연료로 사용하는 중수로 핵분열반응로에서도 삼중수소가 얻어진다. 삼중수소는 불안정한 물질로 방사능을 내며 반감기는 4,500일(12.33년)이다. 감마선을 내지 않고 피부를 관통하지 못하는 베타선만 내기 때문에, 호흡을 통해 인체에 들어가지 않는다면 해가 없는 것으로 알려져 있다. 우라늄의 반감기가 몇 억 년인 것과 비교하면, 삼중수소는 찰나에 존재하고 사라지는 물질이라고 할 수 있다.
핵융합반응을 핵분열반응과 비교해보면 큰 차이가 있다. 핵분열반응에서는 쪼개진 더 가벼운 물질들도 역시 방사선을 발생하는 물질들이다. 하지만 핵융합반응으로 생성되는 중간물질은 헬륨밖에 없으며 헬륨은 안정된 물질이다. 핵융합반응에서 헬륨과 더불어 발생하는 중성자는 핵분열 과정에서도 발생하며 주위를 감싸고 있는 금속 물질에 들어가 금속을 방사선 발생 물질로 변화시킨다. 그러므로 핵융합반응에서는 중성자가 조사된 벽체 물질만 방사능 위험에 노출되고 나머지 중간생성물은 없는 것이다. 또 다른 차이는 핵분열반응에서는 튀어나온 중성자가 다시 우라늄에 충돌하여 반응이 계속되는 연쇄반응이 가능하지만, 핵융합반응에서는 연쇄반응을 만들기 어렵다. 정리하면 핵융합반응은 만들어지는 생성물이 간단하여 안전관리가 핵분열반응에 대비하여 훨씬 쉬운 반면, 반응을 지속시키기가 어렵다는 단점이 있다.
자연에서 구할 수 있는 에너지원 중에서, 더 안전하면서 더 생산비용이 적고 효율도 높은, 모든 면에서 장점을 가진 에너지원은 없다. 그래서 우리는 필요에 따라 난이도와 편의성을 적절하게 제어하여 에너지원을 사용하여야 하며, 위험부담을 줄이려는 포트폴리오 방식 주식투자처럼 에너지원을 한 가지에만 의존하지 말고 태양광이나 풍력까지를 포함하여 다양하게 개발하고 운용하는 것이 최선이다.
2. 인공태양 구현을 위한 선결과제
핵융합 분야의 자료를 읽어보면 머리말에서는 너무나 많은 장점들이 소개된다. 더 안전하면서도 핵분열반응에 비해 4배 정도(연료의 무게당 발생 에너지로 계산할 경우)의 큰 에너지가 얻어진다는 이야기다. 방사능에 오염된 부산물의 양도 적고, 연료로 사용되는 중수소는 구하기가 쉽고 지구상에 존재하는 양도 풍부하여 고갈 염려가 없다는, 그야말로 꿈의 에너지원이라고 설명한다. 이런 꿈의 에너지가 마치 실현될 듯하면서도 아직 실용화에 이르지 못한 데에는 다음에 설명한 풀어야 할 과제들이 있다. 우선 본론에 들어가기 전에 많은 기사나 관련 전문 서적들이 말하는, 핵융합반응로의 중심에는 1억 도 이상의 온도가 얻어진다는 부분에 대한 설명이 필요하다. 도넛 형태의 토카막 장치 내부에서 핵융합반응이 발생하면 반응중심 부위는 1억 도 이상에 이르며 바깥으로 나오면서 온도는 점점 내려간다. 그런데 장치의 내벽을 싸고 있는 재료는 텅스텐을 사용해도 녹는점이 섭씨 3,500도를 넘지 못한다. 아무리 바깥으로 갈수록 온도가 급격하게 낮아진다고 하여도 플라즈마 중심부에서 겨우 5미터 바깥으로 나가면 1억 도의 온도가 3,000도 아래로 급격하게 떨어질 리가 없을 터인데, 어찌된 일일까? 만약 플라즈마 언저리의 온도가 3,000도 이상이라면 견뎌낼 재료가 없으므로 장치 구성이 불가하다. 그러므로 1억 도란 온도는 이래저래 모순이며 과장처럼 들리는 부분이지만 진실은 이렇다. 중심 부위의 온도가 1억 도라는 것은 물리적으로 온당한 수치이지만, 잘못 이해할 수 있는 표현이다. 핵융합반응로 내에서 이중-삼중수소로 이루어진 플라즈마 밀도는 대기압에 비해 현저하게 낮기 때문이다. 예를 들면, ITER 장비의 경우 1,000세제곱미터 정도 공간에 겨우 몇 그램의 수소를 넣고 핵융합반응을 유도하므로 내부의 기압은 거의 진공에 가깝다. 그러므로 핵융합반응로 내부에서 수소원자들이 가열되어 1억 도에 해당되는 운동에너지를 가진다는 것이지, 산소와 질소로 이루어진 대기가 대기압 수준의 압력에서 1억 도를 가지는 경우의 열량과 동일한 것은 아니다. 열량을 충돌 에너지로 바꾸어서 비교해본다면, 가상의 벽에 초속 100미터 속도로 1초에 1개씩 골프공이 충돌하는 것과 동일한 속도지만, 훨씬 더 무거운 당구공이 1초에 1,000개씩 충돌하는 것과의 차이로 이해할 수 있다(공의 속도는 동일하지만, 충돌하는 공의 무게와 개수가 다르면 벽면의 온도 상승도 현저하게 달라진다는 이야기다. 정성적인 설명일 뿐이며, 수치적으로 비율이 동일한 정량적인 비교는 아니다).
2.1. 플라즈마 반응안정성 확보
이미 세계 도처에서 수많은 핵융합 장치들이 시운전되어 과학 현상의 재현성이 확인되었으므로 중수소와 삼중수소 간의 핵융합반응이 가능하다는 사실은 의심의 여지가 없다. 그런데 문제는 지속성이다. 핵융합 장치의 운전에는 초기 반응 만들기, 반응 유지를 위해 외부에서 레이저빔이나 마이크로웨이브 등으로 플라즈마에 에너지를 공급해주기, 외부와 차단된 상태로 독자적인 핵융합반응 유지하기 등의 단계가 있다. 마지막 단계까지 달성된다면, 핵융합 장치는 진정한 에너지원으로 사용 가능한 것이다. 핵융합로의 운전조건에 도달하기 위해서는 먼저 보다 높은 온도와 높은 밀도 환경에서 플라즈마가 꺼지지 않고 장시간 지속되어야 한다. 핵융합 플라즈마 성능 면에서 가장 앞서 나가고 있는 토카막형 핵융합 장치의 경우, 플라즈마 성능이 높아질수록 플라즈마의 내부에서 갑작스럽게 발생한 불안정성이 증폭되어 플라즈마를 위아래로 움직이거나 급격하게 꺼지며 사라져버리는 현상인 Disruption이 종종 발생한다. Disruption이라고 불리는 현상이 발생하면 고전류의 플라즈마는 0.001~0.01초 정도의 짧은 시간에 사라지면서 높은 유도전압을 야기하여 반응로와 바깥에 배치된 전자석에 와전류를 생성시킨다. 반면 Displacement라는, 약간 다른 현상이 생기면 플라즈마가 갑자기 사라지지는 않지만 중심을 잃고 한쪽으로 밀리게 된다. 이 경우 플라즈마는 반응로의 벽에 자신이 지닌 높은 열과 전기를 쏟아부은 후 사라지므로 장치 내벽에 고온과 고전류를 발생시킨다. 결론적으로 플라즈마의 불안정성은 운전을 계속 지속시키지도 못하게 할 뿐 아니라, 장치에 무리한 열과 전류를 발생시키므로 가장 긴급하게 해결되어야 할 과제다. 최근에는 빅데이터와 인공지능 기술을 동원하여 여태껏 행해졌던 다양한 실험들의 분석을 통한 플라즈마 불안전성 사전 예측과 억제 기법들을 활발히 연구 중이며, 현재까지 토카막형 핵융합 장치들의 플라즈마 유지시간은 몇 초에서 몇십 초 정도에 불과했지만, 최근 한국의 KSTAR 장치에서는 100초 정도를 달성하였다.
토카막 장치와 형제지간인 또 다른 장치로서는, ‘일그러진 도넛’ 형태의 용기 외벽에 대칭성이 거의 없이 제각각 뒤틀린 전기 코일들도 감싼 형태인 stellarater라는 이름의 장비가 일본과 독일에서 제작되어 실험 중이다. Stellarator 장치는 토카막 장치에 비해 플라즈마 성능이 많이 뒤쳐지지만, 토카막 장치에서 문제로 여겨지는 Disruption이 발생하지 않는 장점이 있다. 하지만 장치 형상이 복잡하여 제작에 있어서 고난이도의 가공 기술이 요구되기 때문에 핵융합에너지 상용화의 대안으로까지 부각되지 못하고 있다.
지난 반세기 동안 수치해석은 많았지만, 이제부터는 보다 다양한 장비들과 함께 실험을 통해서 계산 결과를 비교해보고 차이를 이해하며 플라즈마 불안정성이라는 문제를 극복해야만 한다.
2.2. 높은 자기장의 효율적 생산
반응로 내에서 핵융합을 발생시키려면 진공을 만든 후 수소를 주입하여 반응을 유도한 후 수소원자들을 잘 가두어두어야 한다. 중심부가 1억 도 이상의 운동량을 가진 입자들을 일정 장소에 가두어두기 위해서는 강한 통제력이 필요하다. 태양처럼 자신의 중력이 엄청난 경우는 자체 중력만으로 입자들을 이탈하지 못하게 가둘 수 있다. 원자폭탄처럼 순간 폭발만 필요할 경우 작은 용기에 밀어넣는 방법도 가능하다. 반응 발생 후 주위의 물체가 다 녹아버려도 상관없다. 하지만 태양 중심이 아닌 지구 표면상에서, 폭발이 아닌 지속적인 핵융합 분위기를 만들려면 거대 중력의 이용이나 작은 용기에 밀어넣는 방법은 불가하다. 그래서 전자기력으로 고온의 입자들을 가두기 위해 수많은 전자석들로 핵융합로 외부를 감싼다. 전자와 핵으로 분리된 수소원자들은 전기를 띠고 있으므로 전자기력으로 밀어서 이탈을 방지하고, 도넛 모양의 반응로 형태를 따라 회전하게 유도해준다. 고도의 운동량을 가진 입자들을 가두려면 당연히 고밀도 자기장이 요구되어 반응로 내부에서의 최대 자기장이 5테슬라 이상에 달하는 장비들이 많다. 이 정도 크기의 자기장 속에 쇠못을 하나 던져 넣으면 곧바로 총알처럼 날아갈 것이다.
초전도체를 사용하여 요구되는 자기장을 얻는 장비의 경우, 초전도 현상을 구현하기 위하여 절대온도 4도(영하 269도)까지 전자석을 냉각시켜야 한다. 그래서 내부에서는 1억 도 이상의 온도로 반응이 이루어지는 동안, 반응로를 쌓고 있는 바깥의 불과 5미터 정도 떨어진 외피에서는 절대온도 4도로 유지되는 전자석이 작동하는 두 극단이 존재하는 장비가 초전도 토카막이다. 핵융합반응을 위한 높은 자기장을 지속시켜주기 위해서 초전도전자석의 사용이 유일한 대안이지만, 냉각을 유지하기 위해서 비용과 에너지가 필요하다는 문제가 있다. 냉각 유지에 실패하면 전자석은 초전도성을 잃게 되고 이미 흐르고 있던 전류로 인해 엄청난 열이 발생하여 고가의 초전도자석은 화상을 입고 고철로 변하게 된다. 이런 최악의 시나리오를 방지하기 위하여, 초전도 현상이 사라지기 직전에 스위치를 작동시켜 전류를 다른 회로로 돌리는 장치도 필요하다.
절대온도 80도 정도에서도 초전도 현상이 가능한 ‘고온초전도체’가 개발된다면, 액체헬륨에 의한 냉각 대신 훨씬 가격이 저렴하고 취급이 쉬운 액체질소를 냉각제로 사용할 수 있어 핵융합 상용화 기술은 가속될 것이다.
2.3. 디자인-건설-실험의 사이클
과학자들의 결론은 핵융합 장비의 경우 규모가 클수록 융합반응의 안정성이 높아진다는 것이다. 열관성이나 운동관성이 커지는 효과가 안정성을 높일 수 있겠지만, 무엇보다 플라즈마 표면적 대비 체적의 비가 커지기에 외부로부터의 교란에 훨씬 강할 것으로 생각해볼 수 있다. 단순 구 형태의 플라즈마를 생각해본다면 구의 체적은 반지름의 세제곱에 비례하고 표면적은 반지름의 제곱에 비례한다. 그래서 구의 표면적 대비 체적은 반지름에 비례한다. 즉 플라즈마가 커질수록 플라즈마 내부는 표면의 영향을 덜 받는다는 것이다. 플라즈마 표면은 여러 가지 난류가 발생하기 쉽고 반응로 내벽에서 튀어나온 금속 입자나 다른 불순물들에 의해 교란되기 쉬운 부분이다. 그리고 표면의 교란 현상은 내부까지 전파될 가능성이 높다.
플라즈마의 단면 형상은 한쪽 단면이 알파벳 D 자에 비슷한 형태가 안정성이 높다고 알려져 있지만, 훨씬 더 길쭉한 형상이나 넓은 형상도 있을 수 있다. 이 모든 것들은 시뮬레이션으로 계산된 것이며, 계산량에 비해 직접 실험으로 확인된 부분은 1% 이하에 불과할 것이다. 시뮬레이션이란 입력값에 따라 결과가 다르게 나오는 것이므로, 고온의 핵융합반응을 지배하는 모든 변수들을 미리 알고 최적의 입력값을 대입하기란 사실상 불가하다. 하나의 유력한 학설이 인정되면 누구나 그 방향으로만 연구를 진행하려는 속성도 다양한 가능성을 찾아낼 확률을 줄인다. 결국 장비를 건설하고 시뮬레이션으로 확인되었다는 현상이 실제 재현 가능한지 확인해보며 시행착오를 거쳐야 콴툼점프(quantum jump)가 일어날 것인데, 하나의 장비를 건설하여 실험데이터를 뽑아내려면 최소한 10년의 기간이 필요하다. 이 문제 해결의 가장 좋은 방법은 각국이 특성이 다른 장비들을 제작하여 실험하며 과학자들이 교류하는 것이다. 경제와 과학 수준이 선진 수준에 다다른 10여 개국이 10개의 다른 장비를 건설하여 과학자들이 활발하게 교류한다면 가능한 시나리오이기 때문에 필자는 이런 미래를 상상해본다. 과학계도 아직 과도한 민족주의로부터 자유롭지 못하지만, 다행하게도 핵융합에너지 부분은 각국에서 비밀 해제를 선언한 지 오래되었으며, ITER 프로젝트의 경험이 차후의 활발한 국제 공동 프로젝트의 노하우를 제공할 수 있을 것이다.
3. 다국적 프로젝트 - ITER
3.1. 현황
EU를 하나의 국가로 계산했을 때 현재 ITER 프로젝트에는 7개국이 참가하고 있다. 아직도 냉전이 지속되었다면 이들은 동료들 국가를 타격하기 위한 무기연구자들이었을지 모른다. 그러므로 ITER 프로젝트는 그 자체가 국제 공동연구임과 동시에 평화 프로젝트라고 자부할 수 있다.
ITER 프로젝트는 최대 에너지 500MW(참고로, 현재 운용 중인 대형 핵발전소 한 기의 열출력량은 2,000~3,000MW, 전력생산량은 1,000MW 정도다), 플라즈마 유지시간 300초 이상, 입력 대비 10배 에너지 발생을 목표로 디자인된 장비를 건설 중이다. 핵융합반응이 발생하는 토카막을 싸고 있는 저온용기는 높이 30미터, 지름 30미터에 달해 아마도 지구상에서 가장 큰 저온 ‘보온병’일 것이다. 중요 부품 제작을 각 참여국들이 나누어 맡아 납품하고 있으므로 서로 다른 기술 역량과 문화, 그리고 각각의 국내 사정들로 인해 원래의 계획에 비해 많은 지연을 경험했다. 하지만 이제 제작공정이 마무리 단계에 와 있으며, 2020년부터는 도착하는 대형 부품들을 조립하기 시작하여 2025년에 최초의 시운전을 감행한다는 계획을 실현하기 위해, 유럽의 여느 건설 현장과는 다르게 늦은 시각까지 조명이 휘황찬란하게 켜져 있다.
ITER 프로젝트는 많은 소요 예산과 늦어지는 공기로 인해 참여국 정부들의 회의적인 반응에 직면한 적이 많았었다. 과학도 시장논리에 점령되어 투자 후 빠른 회수를 다그치는 것이 연구개발 분야의 생리이기 때문에, 각국 정부는 정부 바깥의 타 분야 경쟁 연구자들로부터도 많은 불만을 듣고 있다. 현재는 프로젝트의 초기 불안전성을 벗어난 상태로 예산상의 압박보다 스케줄 압박이 더 큰 국면이다. ITER 프로젝트는 국제 협력과 건설 프로젝트라는 두 가지 조건을 가진 인류 최초의 시도라고 볼 수 있다. 지금까지 대부분의 국제 협력은 외교적 이해나 단순한 예산 분배를 주로 하는 정도였지만, ITER 프로젝트는 여러 나라 사람들이 모여서 분명하고 구체적인 성능이 요구되는 기계를 건설하는 일이다. 이런 까닭에 문화와 언어, 일하는 방식의 차이와 개별 국가의 이익을 우선하려는 참여국들 간의 갈등을 완전히 배제하기는 어려운 환경이다. 하지만 이 프로젝트를 자원으로 하여, 앞으로 더욱 많아질 환경과 생명과학 분야에서의 국제 공동 프로젝트의 많은 노하우를 각국 정부 관계자들은 미리 가지게 되었다. 여전히 과도한 민족주의를 조율하기는 쉽지 않겠지만, 한 가지 확실한 사실은 우리가 잘살려면 남들도 잘살아야 한다는 것이다. 경제나 과학에서 세계화가 더욱 진행되고 있어 고객과 공급자의 운명은 더욱 긴밀하게 엮이게 되었으며, 그 역할도 자주 뒤바뀌기 때문에, 국제사회는 대결이 아니라 상생을 지향해야 한다는 것은 자명한 사실이다.
3.2. 향후 계획
중요 부품 중 가장 먼저 조립되어야 할 부분은 토카막 본체다. 토카막은 핵융합 장치의 반응로에 해당하는 부분으로서, 진공용기와 그 주위를 둘러싸고 있는 전자석들을 포함한다. 진공용기는 도넛 형태를 하고 있는데, 제작 부품은 9조각으로 나누어서 공급되며, ITER 본부에서는 높이 13미터에 이르는 이 각각의 조각들의 측면을 맞대고 용접한다. 용접이 끝나면 1,000세제곱미터에 이르는 진공용기 내부의 공기를 뽑아내어 극진공 상태로 만든다. 극진공 상태에 이르기까지는 상당한 시간이 걸린다. 체결된 볼트 내부의 나사산에 갖혀 있는 공기 입자들까지도 전부 뽑아내야 하기 때문이다. 진공용기 외벽을 둘러싸는 초전도전자석들은 진공용기 용접 전에 설치되며, 초전도 현상은 극저온에 도발한 후에만 구현 가능하므로 전자석들을 전부 영하 269도까지 천천히 냉각시켜야 한다. 총 전자석의 무게는 약 1만 톤에 이르러, 에펠탑(7,300톤)보다 무겁다. 에펠탑을 통째로 영하 269도까지 냉각시킨다는 상상을 해본다면 냉각에 얼마나 시간이 걸릴지 상상이 될 것이다. 냉각이 완료되면 정격전류 50% 수준에서 운전하여 초전도전자석의 성능을 확인하고, 곧바로 플라즈마 생성 실험에 들어간다.
초기 몇 년 동안 일반 수소만 사용한 실험을 통해 주변의 컨트롤 장치와 초기 가열장치들 그리고 진단장치들을 통한 플라즈마 거동에 관한 안정성 등을 확인한 다음, 중수소와 삼중수소를 이용한 핵융합 실험에 돌입하게 되는 것이다. 실험을 통해 주기계장치인 토카막 장치와 수많은 전력장치와 냉각장치가 적정하게 제어되는지 여부를 모니터링하고 데이터를 얻는 것도 중요한 일이다. 핵융합 실험이 성공적으로 마친다면, 내부의 미반응 삼중수소를 회수하는 장치를 통해 삼중수소의 리사이클 비율을 높이는 장치의 실험도 진행될 것이다. 실험에는 여러 가지 다양한 시나리오들이 준비되어 있는데, 프랑스 현지 실험장에서의 실험 상황과 데이터 관찰은 시차가 다른 나라 과학자들이 현지 업무 시간에 연속적으로 참가하여 24시간 가동체제를 갖춘다는 야심 찬 계획을 가지고 있다. 운전 기간이 어느 정도 지나면 운전을 정지하고 장비의 상태를 점검하며, 교체가 필요한 부분은 지능형 로봇을 이용한 원격조정을 통해 시행하려는 준비도 하고 있다. 교체 부품의 무게가 몇 톤에 달하는 것들도 있으므로 로봇을 통한 원격조정 작업은 그 자체만으로 도전적인 프로젝트가 될 것이다.
4. 세계 각국의 핵융합 프로젝트 개요
4.1. 미국
구소련과 더불어 미국은 핵융합 국제 공동연구의 두 축을 이루는 나라였으나 장치 건설 위치가 프랑스로 결정되고 난 후 ITER 프로젝트에 소극적인 자세를 보여왔다. 특히 프로젝트 초기에 미국 내 핵융합 관련 예산이 ITER로 옮겨가면서 미국 내 많은 핵융합 프로젝트들은 ITER 프로젝트와 필연적으로 경쟁 관계를 형성했다. 그러나 프로젝트의 초기 불안정 기간이 지난 현재, 미국 내 연구소들은 ITER와의 협력을 통해 예산을 나누려는 국면으로 상황이 전환되고 있다.
미국 내 핵융합 프로젝트도 이전의 활기를 서서히 찾아가고 있으며, 장비 운전이 정지되었던 MIT 핵융합연구소도 이탈리아 회사로부터 연구비를 지원받아 다시 예전의 활기를 회복 중이며, 필자가 일했던 프린스턴 대학 연구소의 NSTX라는 핵융합 장치도 기존의 문제를 극복하려는 업그레이드 계획 아래 미국 정부의 지원을 받아 활발한 연구를 진행 중이다. 빌 게이츠를 비롯한 독지가들의 핵융합에너지 지원 약속도 이어지고 있다. 1980년대에 발간되어 전 세계를 휩쓴, 앨빈 토플러의 《제3의 물결》이라는 책에서는 정보화시대의 도래를 예언했었다. 그런데 이 책에서 정보화시대에는 고갈되지 않는 무한 에너지원이 나올 것이며 인류는 에너지문제로부터 해방될 것으로 전망했었다. 하지만 현재 인류는 에너지문제에 환경문제까지 더해진 시대를 살고 있다. 토플러가 예측한 무한 에너지 시대는 핵융합으로 실현될 수 있을 것인지 필자도 궁금하다. 토플러의 열망이 미국 사회에 여전히 남아서 핵융합에 대한 기대로 이어지고 있을 것이다.
4.2. 유럽연합
유럽연합은 ITER 프로젝트에 거의 절반에 이르는 소요 예산을 담당하고 있는 최대주주다. 가장 많은 프랑스 기업들이 조립과 운전, 안전 컨설팅에 참여하고 있으며, 1,000여 명의 각국 파견자들의 집세나 생활비 등의 구매가 다시 프랑스로 흘러 들어가고 있으므로 예산 부담이 큰 것에 대한 여론도 나쁘지 않다. 이미 ITER와 협력하는 F4E라는 유럽 내 핵융합 프로젝트 기구를 만들어 스페인 바르셀로나에 본부를 운영하고 있으며, 일본과도 긴밀하게 공동연구를 진행 중이다.
영국의 브렉스트가 현 ITER 프로젝트에 어떤 영향을 미칠지는 아직 미지수다. 예측 불가한 큰 변수는 아니지만, ITER 조직 내의 영국 전문 인력들 거취가 가장 현실적인 문제다. 영국에는 현존하는 가장 큰 규모의 유럽연합 핵융합 장치인 JET가 운영 중인데, 폐기하려고 했지만 전략을 바꾸어 운영을 연장하였고 ITER에 많은 인력을 보냈으며, ITER 역시 예상되는 여러 문제들을 JET에서 밴치마킹하고 있다. 한편 스위스 제네바에 있는 입자가속장치인 CERN 역시 ITER와 활발한 인력 교류가 일어나고 있다. 입자가속장치는 진공, 전자석, 냉각, 진단 등 여러 면에서 핵융합과 기술이 겹치는 분야다. 독일은 북부에 Wendelstein 7-X라는 이름의 Stellarator 장비를 운영 중이며, 뮌헨을 중심으로 자체 핵융합 프로젝트를 이끌고 있다. 향후 ITER 장비가 조립 완료되어 시운전에 들어가면 유럽연합의 투자와 프로젝트 참여도는 훨씬 높아질 것으로 예상된다.
4.3. 중국
중국은 금세기에 미국과 나란한 정도의 과학 대국을 이루는 꿈을 가지고 핵융합 연구에도 지원을 아끼지 않고 있다. 핵융합 분야에서는 삼국지에 나오는 옛 촉나라 수도인 Chendu에 서남부 연구소를 운영하고 있으며, 상하이에서 서쪽으로 500킬로미터 떨어진 Hefei에도 비슷한 규모의 핵융합 연구소가 있다. 2006년에 초전도전자석을 이용한 EAST라는 장비를 건설 완료하여 현재 가동 중이다. ITER 프로젝트에도 많은 젊은 과학자들을 파견하고 있으며, 상대적으로 낮은 인건비와 제조원가를 장점으로 크고 작은 ITER 관련 사업 입찰에 적극 참여하고 있다. ITER 프로젝트가 끝나기 전에 ITER의 참여 경험을 바탕으로 한 대형 핵융합 장치인 CFETR을 건설할 준비도 진행 중인 것으로 알려지고 있다.
4.4. 일본
일본은 유럽과 더불어 ITER 건설 부지 유치로 경합을 벌인 나라다. 미국과 한국이 일본 유치를 지지했지만, 경쟁 관계에서 우위를 점하려는 중국이 지진 위험을 이유로 강력하게 반대하여 유럽 유치로 결정되었다고 한다. 중국이 선견지명이 있었는지, 만약 ITER 건설 부지가 일본으로 결정되었었다면 2011년에 발생했던 후쿠시마 사고 후 ITER 프로젝트는 엄청난 어려움에 직면했을 것이다.
유럽연합과 부지 유치 경쟁을 하는 중에 유럽은, 일본이 부지 유치를 양보하면 반대급부로 ITER 프로젝트의 운영 총책임자를 일본인으로 선정하게 해줄 것과 재료 분야를 비롯한 다양한 부분에서 일본과 공동연구를 진행하여 연구비를 투자하는 약정을 체결했다. 그 결과 일본은 현재 JT-60SA라는 장치를 건설 중이며 2020년 첫 가동을 계획하고 있다.
4.5. 한국
한국은 핵융합 분야에 뒤늦게 참여했으나 2007년 KSTAR라는 이름의 초전도체 전자석을 이용한 토카막 건설에 성공하여 운영 중이다. 2003년 중국과 더불어 ITER 프로젝트에 참가하여 유럽연합을 제외한 다른 참여국들과 동일하게 10% 정도의 분담금을 부담하는 정식 참여국이다. 프랑스 현지에는 50여 명의 전문 인력들이 파견되어 연구과 건설에 참여하고 있으며, 진공용기와 진공용기 내벽 보호재 그리고 전원 시스템 같은 중요 부품 및 기술 서비스 공급 국가이기도 하다. 제조업 품질이 세계 최고 수준이면서도 유럽이나 일본에 비해 원가경쟁력이 있기 때문에 향후 조립에서 시운전으로 이어지는 과정에서 여러 용역과 제조 계약에 많은 수주가 이어질 것으로 전망된다. 현재 국내에서 운영 중인 KSTAR 장비는 ITER 장비에 비해 규모가 작지만 유사한 특징을 가지고 있어, 국내외 전문 인력들과 함께 ITER 운전을 대비한 모사 실험을 진행 중이다.
한국도 ITER 프로젝트 후속 핵융합 프로젝트를 추진할 계획을 가지고 준비 중인 것으로 안다. 핵융합 분야는 그 이름처럼 기계와 전기 그리고 핵반응까지를 이해하고 설계할 수 있는 물리학자와 융합 엔지니어 인력이 필요하다. 개념설계와 시뮬레이션, 제작에 이르는 과정을 두루 이해하고 준비할 인력을 많이 배출하는 것이 급선무이며, 이 분야 기술자들은 입자가속기를 비롯한 여러 분야의 연구개발 인력으로 호환성도 가지므로 인력 양성의 장기 플랜이 한국 핵융합 분야에서 중요한 과제라고 할 수 있다.
5. 결론
앞서 언급한 핵융합 장치와 관련된 환경을 종합해보면, 진공, 초고온, 극저온, 고자기장 등의 용어들이 많이 소개되었다. 이런 환경은 우주와도 흡사하다. 핵융합 기술은 가속기와도 공통되는 부분이 많다고 하였다. 그러니 핵융합 기술은 우주과학과 가속기 그리고 재래식 핵분열 발전 등과 기술을 공유할 수 있는 융합분야다. 한편 ITER는 인류 최초로 기간이 정해진 구체적인 임무를 수행하는 국제공동 프로젝트라고 하였다. 앞으로 국제사회는 기후변화를 막기 위한 공동연구를 좀 더 구체적인 프로젝트로 발전시켜 진행할 가능성이 높으며, 갑작스럽게 나타난 혜성이 지구를 향해 접근해오는 경우가 생긴다면, 충돌에 대비한 마치 만화같은 지구 살리기 공동 프로젝트 같은 것을 상상해 볼 수도 있다. 냉전 후 불과 몇 십년만에 세계화는 가시적으로 세계경제와 각국가들의 운명을 하나로 묶어두고 있다. 핵융합 기술과 ITER 프로젝트는 앞으로의 세계가 과학과 어떻게 연결될 것인지 그 방향을 보여주고 있어 한국 과학계가 눈여겨보고 배워야 할 점이 많다.
References
1. https://www.iter.org/mach, viewed, November 15, 2019.
2. https://www.nfri.re.kr/kor/pageView/16, viewed November 17, 2019.
3. https://www.pppl.gov/research, viewed November 19, 2019.
4. https://fusionforenergy.europa.eu, viewed November 21, 2019.
전창훈, cjun0828@msn.com
ITER International, France
Key words
Nuclear Fusion, Plasma, Tokamak, Tritium, Stability, ITER Project, Nuclear Safety
핵융합, 플라즈마, 토카막, 삼중수소, 안정성, 이터 프로젝트, 원자력 안전
1. 머리말
본 보고서는 ‘인공태양’이라고 불리는 핵융합의 원리 그리고 현재 프랑스 남부에서 진행 중인 ITER 프로젝트와 여러 나라들의 개별 핵융합 연구의 동향에 관한 개괄적인 보고서이다. 이미 해당 전문가들은 내용을 상세하게 알고 있을 것이므로, 이 보고서는 일반 과학기술자들의 이해를 돕기 위하여 작성되었다. 인터넷상에서의 여러 천편일률적인 설명을 따르지 않고 필자만의 시각으로 원리를 설명하려고 시도하였으나, 쉽게 설명하려는 의도는 과학적 엄밀성을 해칠 수 있으므로 다른 자료와 보완하여 참고하길 바란다. 핵융합 장치의 사진이나 물리학 수식들은 인터넷 검색으로 쉽게 찾을 수 있어 지면 관계상 본 보고서에서는 생략하였다.
1.1. 핵융합
1.1.1. 역사
1920년대에 영국의 천문학자 Eddington(1882~1944)은 태양이 수소 핵융합반응으로 유지될 것이라는 제안을 했다. 그는 1919년에 태양 근처를 지나는 빛의 굴절을 관측한 사진으로 Einstein의 특수상대성 이론을 입증하는 데 기여한 천문학자이다. 제1차 세계대전 직후인 당시 영국에서는 전쟁에서 적국이었던 독일의 과학자 아인슈타인이 제안한 학설을 배제하고 싶어하는 과학자들이 많았지만, 에딩턴은 국경을 초월하여 아인슈타인에게 명예가 부여될 과학적 사실을 널리 알린 사람이다. 그 후 1934년 영국 케임브리지 대학에서 Rutherford(1871~1937, 1908년 노벨 화학상 수상) 팀에 의해 최초로 인공 핵융합반응이 시연되었다고 한다. 냉전시대에는 미국과 소련으로 나뉘어 핵융합반응을 이용한 수소폭탄 연구가 비밀리에 진행되었으며 1952년에 미국이, 1953년에 소련이 수소폭탄 폭발 시험에 성공하게 된다. 1950년대 말에는 수소폭탄을 연구하던 소련 과학자 Sakharov(1921~1989, 인권운동으로 1975년 노벨 평화상 수상)와 동료들에 의해 도넛 형태의 Tokamak이라는 핵융합 장치가 고안되었으며, 이때부터 영국과 미국, 소련을 중심으로 에너지원으로서의 핵융합 연구가 활발하게 진행되었다.
수소폭탄이라는 첨단무기가 관계된 연구였기에 극비리에 핵융합 연구가 진행되었지만, 무기 분야에서는 단시간에 폭발을 통한 핵융합반응을 쉽게 달성했던 것과 달리, 에너지원 분야에서는 긴 반응시간과 적당한 밀도의 에너지를 얻을 수 있는 반응을 구현하는 것이 어려웠다. 좀처럼 에너지원으로의 핵융합 연구가 돌파구를 찾지 못할 즈음 소련에서 먼저 자신들의 연구 성과를 공개하여 공동연구를 향한 첫걸음을 딛게 되었다. 이때부터 세계 도처에는 여러 개의 핵융합 장치들이 건설되었으며, 1980년대 이후에 건설된 대형 장치로는 미국 프린스턴의 TFTR, 영국 옥스퍼드 근교의 JET, 일본 나리타 공항에서 멀지 않은 JT-60 등이 있다. 한국에서는 2007년에 완공된 KSTAR 핵융합 장치가 대전 국가핵융합연구소 내에 설치되어 있다.
한편 제2차 세계대전이 끝나고 미-소가 수소폭탄 실험을 끝낸 1953년 12월 8일, 미국 대통령 아이젠하워는 유엔총회 연설에서 “Atoms for Peace”라는 연설을 한다. 원자력을 군사적 목적이 아닌 민간 차원에서 평화적으로 이용하자는 연설이었다. 세월이 한참 지나 핵융합 분야에서도 이와 비슷한 선언이 이루어졌다. 1985년 제네바에서 미국 대통령 레이건과 소련 정상 고르바초프 간에 ‘핵융합에너지 연구로 인류에게 커다란 공헌’을 남기자는 합의가 서명되었다. 본 합의를 바탕으로 핵융합 분야에서 국제 공동연구가 모색되었으며, 2001년부터 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)라는 이름의 프로젝트를 만들고 회원국이 형성되었다. 한국과 중국도 2003년에 가입하였고, 인도가 2005에 추가로 가입하여 세계적인 공동 프로젝트 ITER가 시작되었다. 핵융합 장비는 프랑스 남부에 건설하기로 결정되었으며, 2007년 10월 24일 정식으로 ITER 국제기구가 출범하게 되었다.
1.1.2. 개념
아주 무거운 물질인 우라늄에 중성자를 충돌시키면 분해되어 좀 더 가벼운 물질로 바뀌면서 동반되는 약간의 질량결손 때문에 엄청난 에너지가 발생되는 현상이, 현재 원자력발전에 이용되는 핵분열반응이다. 물질이 분해될 때만이 아니라, 결합되어 다른 물질로 바뀔 때도 일부 질량결손이 생겨 엄청난 에너지가 발생한다는 것도 밝혀졌다. 이때 말하는 결합은, 물질 바깥 궤도의 가전자 교환으로 이루어지는 화학결합(공유결합, 이온결합)과 다르게, 양성자와 중성자로 구성된 원자핵끼리의 결합을 말한다. 하지만 물질을 결합시키려고 서로를 가까이에 붙이면 각각의 원자핵은 양성자여서 엄청난 반발력이 작용하는데, 쿨롱의 법칙에 따르면 반발력은 거리가 가까워질수록 커지기 때문에 쉽게 핵결합이 발생하지 않는다. 결국 핵융합반응은 극도의 높은 온도에서 핵 주위의 전자층을 모두 해리시킨 플라즈마 상태를 만든 후, 다시 원자핵 간에 급격한 충돌이 일어날 수 있게 원자핵들의 에너지준위를 높여야 가능하다. 아주 빠른 속도로 원자핵들이 충돌하면 가끔씩 전기력에 의한 반발력을 이겨내고 서로 간의 거리를 좁혀 핵융합이 일어나는 것이다. 지나온 연구를 통해 이런 모델로 가장 쉽게 핵융합이 일어나는 원소를 찾았는데, 그것은 (이)중수소와 삼중수소 간의 핵융합반응이다. 둘 다 수소의 동위원소이며, 일반 수소는 핵에 양성자만 하나를 가지며 중성자가 없지만, 중수소는 핵에 양성자 하나와 중성자 하나, 삼중수소는 양성자 하나와 2개의 중성자를 가진다. 이 둘이 결합하면 핵에 양성자가 둘이고 중성자가 2개인 헬륨으로 변하면서 중성자 하나를 내어놓는 반응과 동시에 에너지를 발산하는 것이다. 이것이 가장 보편적인 핵융합반응이다. 중수소는 바닷물에 많이 존재하지만, 삼중수소는 핵융합 장치의 내부에 설치한 리튬에 중성자를 충돌시켜 인위적으로 만들거나 사용 후 재처리를 거쳐 회수해야 한다. 천연우라늄을 농축하지 않고 그대로 연료로 사용하는 중수로 핵분열반응로에서도 삼중수소가 얻어진다. 삼중수소는 불안정한 물질로 방사능을 내며 반감기는 4,500일(12.33년)이다. 감마선을 내지 않고 피부를 관통하지 못하는 베타선만 내기 때문에, 호흡을 통해 인체에 들어가지 않는다면 해가 없는 것으로 알려져 있다. 우라늄의 반감기가 몇 억 년인 것과 비교하면, 삼중수소는 찰나에 존재하고 사라지는 물질이라고 할 수 있다.
핵융합반응을 핵분열반응과 비교해보면 큰 차이가 있다. 핵분열반응에서는 쪼개진 더 가벼운 물질들도 역시 방사선을 발생하는 물질들이다. 하지만 핵융합반응으로 생성되는 중간물질은 헬륨밖에 없으며 헬륨은 안정된 물질이다. 핵융합반응에서 헬륨과 더불어 발생하는 중성자는 핵분열 과정에서도 발생하며 주위를 감싸고 있는 금속 물질에 들어가 금속을 방사선 발생 물질로 변화시킨다. 그러므로 핵융합반응에서는 중성자가 조사된 벽체 물질만 방사능 위험에 노출되고 나머지 중간생성물은 없는 것이다. 또 다른 차이는 핵분열반응에서는 튀어나온 중성자가 다시 우라늄에 충돌하여 반응이 계속되는 연쇄반응이 가능하지만, 핵융합반응에서는 연쇄반응을 만들기 어렵다. 정리하면 핵융합반응은 만들어지는 생성물이 간단하여 안전관리가 핵분열반응에 대비하여 훨씬 쉬운 반면, 반응을 지속시키기가 어렵다는 단점이 있다.
자연에서 구할 수 있는 에너지원 중에서, 더 안전하면서 더 생산비용이 적고 효율도 높은, 모든 면에서 장점을 가진 에너지원은 없다. 그래서 우리는 필요에 따라 난이도와 편의성을 적절하게 제어하여 에너지원을 사용하여야 하며, 위험부담을 줄이려는 포트폴리오 방식 주식투자처럼 에너지원을 한 가지에만 의존하지 말고 태양광이나 풍력까지를 포함하여 다양하게 개발하고 운용하는 것이 최선이다.
2. 인공태양 구현을 위한 선결과제
핵융합 분야의 자료를 읽어보면 머리말에서는 너무나 많은 장점들이 소개된다. 더 안전하면서도 핵분열반응에 비해 4배 정도(연료의 무게당 발생 에너지로 계산할 경우)의 큰 에너지가 얻어진다는 이야기다. 방사능에 오염된 부산물의 양도 적고, 연료로 사용되는 중수소는 구하기가 쉽고 지구상에 존재하는 양도 풍부하여 고갈 염려가 없다는, 그야말로 꿈의 에너지원이라고 설명한다. 이런 꿈의 에너지가 마치 실현될 듯하면서도 아직 실용화에 이르지 못한 데에는 다음에 설명한 풀어야 할 과제들이 있다. 우선 본론에 들어가기 전에 많은 기사나 관련 전문 서적들이 말하는, 핵융합반응로의 중심에는 1억 도 이상의 온도가 얻어진다는 부분에 대한 설명이 필요하다. 도넛 형태의 토카막 장치 내부에서 핵융합반응이 발생하면 반응중심 부위는 1억 도 이상에 이르며 바깥으로 나오면서 온도는 점점 내려간다. 그런데 장치의 내벽을 싸고 있는 재료는 텅스텐을 사용해도 녹는점이 섭씨 3,500도를 넘지 못한다. 아무리 바깥으로 갈수록 온도가 급격하게 낮아진다고 하여도 플라즈마 중심부에서 겨우 5미터 바깥으로 나가면 1억 도의 온도가 3,000도 아래로 급격하게 떨어질 리가 없을 터인데, 어찌된 일일까? 만약 플라즈마 언저리의 온도가 3,000도 이상이라면 견뎌낼 재료가 없으므로 장치 구성이 불가하다. 그러므로 1억 도란 온도는 이래저래 모순이며 과장처럼 들리는 부분이지만 진실은 이렇다. 중심 부위의 온도가 1억 도라는 것은 물리적으로 온당한 수치이지만, 잘못 이해할 수 있는 표현이다. 핵융합반응로 내에서 이중-삼중수소로 이루어진 플라즈마 밀도는 대기압에 비해 현저하게 낮기 때문이다. 예를 들면, ITER 장비의 경우 1,000세제곱미터 정도 공간에 겨우 몇 그램의 수소를 넣고 핵융합반응을 유도하므로 내부의 기압은 거의 진공에 가깝다. 그러므로 핵융합반응로 내부에서 수소원자들이 가열되어 1억 도에 해당되는 운동에너지를 가진다는 것이지, 산소와 질소로 이루어진 대기가 대기압 수준의 압력에서 1억 도를 가지는 경우의 열량과 동일한 것은 아니다. 열량을 충돌 에너지로 바꾸어서 비교해본다면, 가상의 벽에 초속 100미터 속도로 1초에 1개씩 골프공이 충돌하는 것과 동일한 속도지만, 훨씬 더 무거운 당구공이 1초에 1,000개씩 충돌하는 것과의 차이로 이해할 수 있다(공의 속도는 동일하지만, 충돌하는 공의 무게와 개수가 다르면 벽면의 온도 상승도 현저하게 달라진다는 이야기다. 정성적인 설명일 뿐이며, 수치적으로 비율이 동일한 정량적인 비교는 아니다).
2.1. 플라즈마 반응안정성 확보
이미 세계 도처에서 수많은 핵융합 장치들이 시운전되어 과학 현상의 재현성이 확인되었으므로 중수소와 삼중수소 간의 핵융합반응이 가능하다는 사실은 의심의 여지가 없다. 그런데 문제는 지속성이다. 핵융합 장치의 운전에는 초기 반응 만들기, 반응 유지를 위해 외부에서 레이저빔이나 마이크로웨이브 등으로 플라즈마에 에너지를 공급해주기, 외부와 차단된 상태로 독자적인 핵융합반응 유지하기 등의 단계가 있다. 마지막 단계까지 달성된다면, 핵융합 장치는 진정한 에너지원으로 사용 가능한 것이다. 핵융합로의 운전조건에 도달하기 위해서는 먼저 보다 높은 온도와 높은 밀도 환경에서 플라즈마가 꺼지지 않고 장시간 지속되어야 한다. 핵융합 플라즈마 성능 면에서 가장 앞서 나가고 있는 토카막형 핵융합 장치의 경우, 플라즈마 성능이 높아질수록 플라즈마의 내부에서 갑작스럽게 발생한 불안정성이 증폭되어 플라즈마를 위아래로 움직이거나 급격하게 꺼지며 사라져버리는 현상인 Disruption이 종종 발생한다. Disruption이라고 불리는 현상이 발생하면 고전류의 플라즈마는 0.001~0.01초 정도의 짧은 시간에 사라지면서 높은 유도전압을 야기하여 반응로와 바깥에 배치된 전자석에 와전류를 생성시킨다. 반면 Displacement라는, 약간 다른 현상이 생기면 플라즈마가 갑자기 사라지지는 않지만 중심을 잃고 한쪽으로 밀리게 된다. 이 경우 플라즈마는 반응로의 벽에 자신이 지닌 높은 열과 전기를 쏟아부은 후 사라지므로 장치 내벽에 고온과 고전류를 발생시킨다. 결론적으로 플라즈마의 불안정성은 운전을 계속 지속시키지도 못하게 할 뿐 아니라, 장치에 무리한 열과 전류를 발생시키므로 가장 긴급하게 해결되어야 할 과제다. 최근에는 빅데이터와 인공지능 기술을 동원하여 여태껏 행해졌던 다양한 실험들의 분석을 통한 플라즈마 불안전성 사전 예측과 억제 기법들을 활발히 연구 중이며, 현재까지 토카막형 핵융합 장치들의 플라즈마 유지시간은 몇 초에서 몇십 초 정도에 불과했지만, 최근 한국의 KSTAR 장치에서는 100초 정도를 달성하였다.
토카막 장치와 형제지간인 또 다른 장치로서는, ‘일그러진 도넛’ 형태의 용기 외벽에 대칭성이 거의 없이 제각각 뒤틀린 전기 코일들도 감싼 형태인 stellarater라는 이름의 장비가 일본과 독일에서 제작되어 실험 중이다. Stellarator 장치는 토카막 장치에 비해 플라즈마 성능이 많이 뒤쳐지지만, 토카막 장치에서 문제로 여겨지는 Disruption이 발생하지 않는 장점이 있다. 하지만 장치 형상이 복잡하여 제작에 있어서 고난이도의 가공 기술이 요구되기 때문에 핵융합에너지 상용화의 대안으로까지 부각되지 못하고 있다.
지난 반세기 동안 수치해석은 많았지만, 이제부터는 보다 다양한 장비들과 함께 실험을 통해서 계산 결과를 비교해보고 차이를 이해하며 플라즈마 불안정성이라는 문제를 극복해야만 한다.
2.2. 높은 자기장의 효율적 생산
반응로 내에서 핵융합을 발생시키려면 진공을 만든 후 수소를 주입하여 반응을 유도한 후 수소원자들을 잘 가두어두어야 한다. 중심부가 1억 도 이상의 운동량을 가진 입자들을 일정 장소에 가두어두기 위해서는 강한 통제력이 필요하다. 태양처럼 자신의 중력이 엄청난 경우는 자체 중력만으로 입자들을 이탈하지 못하게 가둘 수 있다. 원자폭탄처럼 순간 폭발만 필요할 경우 작은 용기에 밀어넣는 방법도 가능하다. 반응 발생 후 주위의 물체가 다 녹아버려도 상관없다. 하지만 태양 중심이 아닌 지구 표면상에서, 폭발이 아닌 지속적인 핵융합 분위기를 만들려면 거대 중력의 이용이나 작은 용기에 밀어넣는 방법은 불가하다. 그래서 전자기력으로 고온의 입자들을 가두기 위해 수많은 전자석들로 핵융합로 외부를 감싼다. 전자와 핵으로 분리된 수소원자들은 전기를 띠고 있으므로 전자기력으로 밀어서 이탈을 방지하고, 도넛 모양의 반응로 형태를 따라 회전하게 유도해준다. 고도의 운동량을 가진 입자들을 가두려면 당연히 고밀도 자기장이 요구되어 반응로 내부에서의 최대 자기장이 5테슬라 이상에 달하는 장비들이 많다. 이 정도 크기의 자기장 속에 쇠못을 하나 던져 넣으면 곧바로 총알처럼 날아갈 것이다.
초전도체를 사용하여 요구되는 자기장을 얻는 장비의 경우, 초전도 현상을 구현하기 위하여 절대온도 4도(영하 269도)까지 전자석을 냉각시켜야 한다. 그래서 내부에서는 1억 도 이상의 온도로 반응이 이루어지는 동안, 반응로를 쌓고 있는 바깥의 불과 5미터 정도 떨어진 외피에서는 절대온도 4도로 유지되는 전자석이 작동하는 두 극단이 존재하는 장비가 초전도 토카막이다. 핵융합반응을 위한 높은 자기장을 지속시켜주기 위해서 초전도전자석의 사용이 유일한 대안이지만, 냉각을 유지하기 위해서 비용과 에너지가 필요하다는 문제가 있다. 냉각 유지에 실패하면 전자석은 초전도성을 잃게 되고 이미 흐르고 있던 전류로 인해 엄청난 열이 발생하여 고가의 초전도자석은 화상을 입고 고철로 변하게 된다. 이런 최악의 시나리오를 방지하기 위하여, 초전도 현상이 사라지기 직전에 스위치를 작동시켜 전류를 다른 회로로 돌리는 장치도 필요하다.
절대온도 80도 정도에서도 초전도 현상이 가능한 ‘고온초전도체’가 개발된다면, 액체헬륨에 의한 냉각 대신 훨씬 가격이 저렴하고 취급이 쉬운 액체질소를 냉각제로 사용할 수 있어 핵융합 상용화 기술은 가속될 것이다.
2.3. 디자인-건설-실험의 사이클
과학자들의 결론은 핵융합 장비의 경우 규모가 클수록 융합반응의 안정성이 높아진다는 것이다. 열관성이나 운동관성이 커지는 효과가 안정성을 높일 수 있겠지만, 무엇보다 플라즈마 표면적 대비 체적의 비가 커지기에 외부로부터의 교란에 훨씬 강할 것으로 생각해볼 수 있다. 단순 구 형태의 플라즈마를 생각해본다면 구의 체적은 반지름의 세제곱에 비례하고 표면적은 반지름의 제곱에 비례한다. 그래서 구의 표면적 대비 체적은 반지름에 비례한다. 즉 플라즈마가 커질수록 플라즈마 내부는 표면의 영향을 덜 받는다는 것이다. 플라즈마 표면은 여러 가지 난류가 발생하기 쉽고 반응로 내벽에서 튀어나온 금속 입자나 다른 불순물들에 의해 교란되기 쉬운 부분이다. 그리고 표면의 교란 현상은 내부까지 전파될 가능성이 높다.
플라즈마의 단면 형상은 한쪽 단면이 알파벳 D 자에 비슷한 형태가 안정성이 높다고 알려져 있지만, 훨씬 더 길쭉한 형상이나 넓은 형상도 있을 수 있다. 이 모든 것들은 시뮬레이션으로 계산된 것이며, 계산량에 비해 직접 실험으로 확인된 부분은 1% 이하에 불과할 것이다. 시뮬레이션이란 입력값에 따라 결과가 다르게 나오는 것이므로, 고온의 핵융합반응을 지배하는 모든 변수들을 미리 알고 최적의 입력값을 대입하기란 사실상 불가하다. 하나의 유력한 학설이 인정되면 누구나 그 방향으로만 연구를 진행하려는 속성도 다양한 가능성을 찾아낼 확률을 줄인다. 결국 장비를 건설하고 시뮬레이션으로 확인되었다는 현상이 실제 재현 가능한지 확인해보며 시행착오를 거쳐야 콴툼점프(quantum jump)가 일어날 것인데, 하나의 장비를 건설하여 실험데이터를 뽑아내려면 최소한 10년의 기간이 필요하다. 이 문제 해결의 가장 좋은 방법은 각국이 특성이 다른 장비들을 제작하여 실험하며 과학자들이 교류하는 것이다. 경제와 과학 수준이 선진 수준에 다다른 10여 개국이 10개의 다른 장비를 건설하여 과학자들이 활발하게 교류한다면 가능한 시나리오이기 때문에 필자는 이런 미래를 상상해본다. 과학계도 아직 과도한 민족주의로부터 자유롭지 못하지만, 다행하게도 핵융합에너지 부분은 각국에서 비밀 해제를 선언한 지 오래되었으며, ITER 프로젝트의 경험이 차후의 활발한 국제 공동 프로젝트의 노하우를 제공할 수 있을 것이다.
3. 다국적 프로젝트 - ITER
3.1. 현황
EU를 하나의 국가로 계산했을 때 현재 ITER 프로젝트에는 7개국이 참가하고 있다. 아직도 냉전이 지속되었다면 이들은 동료들 국가를 타격하기 위한 무기연구자들이었을지 모른다. 그러므로 ITER 프로젝트는 그 자체가 국제 공동연구임과 동시에 평화 프로젝트라고 자부할 수 있다.
ITER 프로젝트는 최대 에너지 500MW(참고로, 현재 운용 중인 대형 핵발전소 한 기의 열출력량은 2,000~3,000MW, 전력생산량은 1,000MW 정도다), 플라즈마 유지시간 300초 이상, 입력 대비 10배 에너지 발생을 목표로 디자인된 장비를 건설 중이다. 핵융합반응이 발생하는 토카막을 싸고 있는 저온용기는 높이 30미터, 지름 30미터에 달해 아마도 지구상에서 가장 큰 저온 ‘보온병’일 것이다. 중요 부품 제작을 각 참여국들이 나누어 맡아 납품하고 있으므로 서로 다른 기술 역량과 문화, 그리고 각각의 국내 사정들로 인해 원래의 계획에 비해 많은 지연을 경험했다. 하지만 이제 제작공정이 마무리 단계에 와 있으며, 2020년부터는 도착하는 대형 부품들을 조립하기 시작하여 2025년에 최초의 시운전을 감행한다는 계획을 실현하기 위해, 유럽의 여느 건설 현장과는 다르게 늦은 시각까지 조명이 휘황찬란하게 켜져 있다.
ITER 프로젝트는 많은 소요 예산과 늦어지는 공기로 인해 참여국 정부들의 회의적인 반응에 직면한 적이 많았었다. 과학도 시장논리에 점령되어 투자 후 빠른 회수를 다그치는 것이 연구개발 분야의 생리이기 때문에, 각국 정부는 정부 바깥의 타 분야 경쟁 연구자들로부터도 많은 불만을 듣고 있다. 현재는 프로젝트의 초기 불안전성을 벗어난 상태로 예산상의 압박보다 스케줄 압박이 더 큰 국면이다. ITER 프로젝트는 국제 협력과 건설 프로젝트라는 두 가지 조건을 가진 인류 최초의 시도라고 볼 수 있다. 지금까지 대부분의 국제 협력은 외교적 이해나 단순한 예산 분배를 주로 하는 정도였지만, ITER 프로젝트는 여러 나라 사람들이 모여서 분명하고 구체적인 성능이 요구되는 기계를 건설하는 일이다. 이런 까닭에 문화와 언어, 일하는 방식의 차이와 개별 국가의 이익을 우선하려는 참여국들 간의 갈등을 완전히 배제하기는 어려운 환경이다. 하지만 이 프로젝트를 자원으로 하여, 앞으로 더욱 많아질 환경과 생명과학 분야에서의 국제 공동 프로젝트의 많은 노하우를 각국 정부 관계자들은 미리 가지게 되었다. 여전히 과도한 민족주의를 조율하기는 쉽지 않겠지만, 한 가지 확실한 사실은 우리가 잘살려면 남들도 잘살아야 한다는 것이다. 경제나 과학에서 세계화가 더욱 진행되고 있어 고객과 공급자의 운명은 더욱 긴밀하게 엮이게 되었으며, 그 역할도 자주 뒤바뀌기 때문에, 국제사회는 대결이 아니라 상생을 지향해야 한다는 것은 자명한 사실이다.
3.2. 향후 계획
중요 부품 중 가장 먼저 조립되어야 할 부분은 토카막 본체다. 토카막은 핵융합 장치의 반응로에 해당하는 부분으로서, 진공용기와 그 주위를 둘러싸고 있는 전자석들을 포함한다. 진공용기는 도넛 형태를 하고 있는데, 제작 부품은 9조각으로 나누어서 공급되며, ITER 본부에서는 높이 13미터에 이르는 이 각각의 조각들의 측면을 맞대고 용접한다. 용접이 끝나면 1,000세제곱미터에 이르는 진공용기 내부의 공기를 뽑아내어 극진공 상태로 만든다. 극진공 상태에 이르기까지는 상당한 시간이 걸린다. 체결된 볼트 내부의 나사산에 갖혀 있는 공기 입자들까지도 전부 뽑아내야 하기 때문이다. 진공용기 외벽을 둘러싸는 초전도전자석들은 진공용기 용접 전에 설치되며, 초전도 현상은 극저온에 도발한 후에만 구현 가능하므로 전자석들을 전부 영하 269도까지 천천히 냉각시켜야 한다. 총 전자석의 무게는 약 1만 톤에 이르러, 에펠탑(7,300톤)보다 무겁다. 에펠탑을 통째로 영하 269도까지 냉각시킨다는 상상을 해본다면 냉각에 얼마나 시간이 걸릴지 상상이 될 것이다. 냉각이 완료되면 정격전류 50% 수준에서 운전하여 초전도전자석의 성능을 확인하고, 곧바로 플라즈마 생성 실험에 들어간다.
초기 몇 년 동안 일반 수소만 사용한 실험을 통해 주변의 컨트롤 장치와 초기 가열장치들 그리고 진단장치들을 통한 플라즈마 거동에 관한 안정성 등을 확인한 다음, 중수소와 삼중수소를 이용한 핵융합 실험에 돌입하게 되는 것이다. 실험을 통해 주기계장치인 토카막 장치와 수많은 전력장치와 냉각장치가 적정하게 제어되는지 여부를 모니터링하고 데이터를 얻는 것도 중요한 일이다. 핵융합 실험이 성공적으로 마친다면, 내부의 미반응 삼중수소를 회수하는 장치를 통해 삼중수소의 리사이클 비율을 높이는 장치의 실험도 진행될 것이다. 실험에는 여러 가지 다양한 시나리오들이 준비되어 있는데, 프랑스 현지 실험장에서의 실험 상황과 데이터 관찰은 시차가 다른 나라 과학자들이 현지 업무 시간에 연속적으로 참가하여 24시간 가동체제를 갖춘다는 야심 찬 계획을 가지고 있다. 운전 기간이 어느 정도 지나면 운전을 정지하고 장비의 상태를 점검하며, 교체가 필요한 부분은 지능형 로봇을 이용한 원격조정을 통해 시행하려는 준비도 하고 있다. 교체 부품의 무게가 몇 톤에 달하는 것들도 있으므로 로봇을 통한 원격조정 작업은 그 자체만으로 도전적인 프로젝트가 될 것이다.
4. 세계 각국의 핵융합 프로젝트 개요
4.1. 미국
구소련과 더불어 미국은 핵융합 국제 공동연구의 두 축을 이루는 나라였으나 장치 건설 위치가 프랑스로 결정되고 난 후 ITER 프로젝트에 소극적인 자세를 보여왔다. 특히 프로젝트 초기에 미국 내 핵융합 관련 예산이 ITER로 옮겨가면서 미국 내 많은 핵융합 프로젝트들은 ITER 프로젝트와 필연적으로 경쟁 관계를 형성했다. 그러나 프로젝트의 초기 불안정 기간이 지난 현재, 미국 내 연구소들은 ITER와의 협력을 통해 예산을 나누려는 국면으로 상황이 전환되고 있다.
미국 내 핵융합 프로젝트도 이전의 활기를 서서히 찾아가고 있으며, 장비 운전이 정지되었던 MIT 핵융합연구소도 이탈리아 회사로부터 연구비를 지원받아 다시 예전의 활기를 회복 중이며, 필자가 일했던 프린스턴 대학 연구소의 NSTX라는 핵융합 장치도 기존의 문제를 극복하려는 업그레이드 계획 아래 미국 정부의 지원을 받아 활발한 연구를 진행 중이다. 빌 게이츠를 비롯한 독지가들의 핵융합에너지 지원 약속도 이어지고 있다. 1980년대에 발간되어 전 세계를 휩쓴, 앨빈 토플러의 《제3의 물결》이라는 책에서는 정보화시대의 도래를 예언했었다. 그런데 이 책에서 정보화시대에는 고갈되지 않는 무한 에너지원이 나올 것이며 인류는 에너지문제로부터 해방될 것으로 전망했었다. 하지만 현재 인류는 에너지문제에 환경문제까지 더해진 시대를 살고 있다. 토플러가 예측한 무한 에너지 시대는 핵융합으로 실현될 수 있을 것인지 필자도 궁금하다. 토플러의 열망이 미국 사회에 여전히 남아서 핵융합에 대한 기대로 이어지고 있을 것이다.
4.2. 유럽연합
유럽연합은 ITER 프로젝트에 거의 절반에 이르는 소요 예산을 담당하고 있는 최대주주다. 가장 많은 프랑스 기업들이 조립과 운전, 안전 컨설팅에 참여하고 있으며, 1,000여 명의 각국 파견자들의 집세나 생활비 등의 구매가 다시 프랑스로 흘러 들어가고 있으므로 예산 부담이 큰 것에 대한 여론도 나쁘지 않다. 이미 ITER와 협력하는 F4E라는 유럽 내 핵융합 프로젝트 기구를 만들어 스페인 바르셀로나에 본부를 운영하고 있으며, 일본과도 긴밀하게 공동연구를 진행 중이다.
영국의 브렉스트가 현 ITER 프로젝트에 어떤 영향을 미칠지는 아직 미지수다. 예측 불가한 큰 변수는 아니지만, ITER 조직 내의 영국 전문 인력들 거취가 가장 현실적인 문제다. 영국에는 현존하는 가장 큰 규모의 유럽연합 핵융합 장치인 JET가 운영 중인데, 폐기하려고 했지만 전략을 바꾸어 운영을 연장하였고 ITER에 많은 인력을 보냈으며, ITER 역시 예상되는 여러 문제들을 JET에서 밴치마킹하고 있다. 한편 스위스 제네바에 있는 입자가속장치인 CERN 역시 ITER와 활발한 인력 교류가 일어나고 있다. 입자가속장치는 진공, 전자석, 냉각, 진단 등 여러 면에서 핵융합과 기술이 겹치는 분야다. 독일은 북부에 Wendelstein 7-X라는 이름의 Stellarator 장비를 운영 중이며, 뮌헨을 중심으로 자체 핵융합 프로젝트를 이끌고 있다. 향후 ITER 장비가 조립 완료되어 시운전에 들어가면 유럽연합의 투자와 프로젝트 참여도는 훨씬 높아질 것으로 예상된다.
4.3. 중국
중국은 금세기에 미국과 나란한 정도의 과학 대국을 이루는 꿈을 가지고 핵융합 연구에도 지원을 아끼지 않고 있다. 핵융합 분야에서는 삼국지에 나오는 옛 촉나라 수도인 Chendu에 서남부 연구소를 운영하고 있으며, 상하이에서 서쪽으로 500킬로미터 떨어진 Hefei에도 비슷한 규모의 핵융합 연구소가 있다. 2006년에 초전도전자석을 이용한 EAST라는 장비를 건설 완료하여 현재 가동 중이다. ITER 프로젝트에도 많은 젊은 과학자들을 파견하고 있으며, 상대적으로 낮은 인건비와 제조원가를 장점으로 크고 작은 ITER 관련 사업 입찰에 적극 참여하고 있다. ITER 프로젝트가 끝나기 전에 ITER의 참여 경험을 바탕으로 한 대형 핵융합 장치인 CFETR을 건설할 준비도 진행 중인 것으로 알려지고 있다.
4.4. 일본
일본은 유럽과 더불어 ITER 건설 부지 유치로 경합을 벌인 나라다. 미국과 한국이 일본 유치를 지지했지만, 경쟁 관계에서 우위를 점하려는 중국이 지진 위험을 이유로 강력하게 반대하여 유럽 유치로 결정되었다고 한다. 중국이 선견지명이 있었는지, 만약 ITER 건설 부지가 일본으로 결정되었었다면 2011년에 발생했던 후쿠시마 사고 후 ITER 프로젝트는 엄청난 어려움에 직면했을 것이다.
유럽연합과 부지 유치 경쟁을 하는 중에 유럽은, 일본이 부지 유치를 양보하면 반대급부로 ITER 프로젝트의 운영 총책임자를 일본인으로 선정하게 해줄 것과 재료 분야를 비롯한 다양한 부분에서 일본과 공동연구를 진행하여 연구비를 투자하는 약정을 체결했다. 그 결과 일본은 현재 JT-60SA라는 장치를 건설 중이며 2020년 첫 가동을 계획하고 있다.
4.5. 한국
한국은 핵융합 분야에 뒤늦게 참여했으나 2007년 KSTAR라는 이름의 초전도체 전자석을 이용한 토카막 건설에 성공하여 운영 중이다. 2003년 중국과 더불어 ITER 프로젝트에 참가하여 유럽연합을 제외한 다른 참여국들과 동일하게 10% 정도의 분담금을 부담하는 정식 참여국이다. 프랑스 현지에는 50여 명의 전문 인력들이 파견되어 연구과 건설에 참여하고 있으며, 진공용기와 진공용기 내벽 보호재 그리고 전원 시스템 같은 중요 부품 및 기술 서비스 공급 국가이기도 하다. 제조업 품질이 세계 최고 수준이면서도 유럽이나 일본에 비해 원가경쟁력이 있기 때문에 향후 조립에서 시운전으로 이어지는 과정에서 여러 용역과 제조 계약에 많은 수주가 이어질 것으로 전망된다. 현재 국내에서 운영 중인 KSTAR 장비는 ITER 장비에 비해 규모가 작지만 유사한 특징을 가지고 있어, 국내외 전문 인력들과 함께 ITER 운전을 대비한 모사 실험을 진행 중이다.
한국도 ITER 프로젝트 후속 핵융합 프로젝트를 추진할 계획을 가지고 준비 중인 것으로 안다. 핵융합 분야는 그 이름처럼 기계와 전기 그리고 핵반응까지를 이해하고 설계할 수 있는 물리학자와 융합 엔지니어 인력이 필요하다. 개념설계와 시뮬레이션, 제작에 이르는 과정을 두루 이해하고 준비할 인력을 많이 배출하는 것이 급선무이며, 이 분야 기술자들은 입자가속기를 비롯한 여러 분야의 연구개발 인력으로 호환성도 가지므로 인력 양성의 장기 플랜이 한국 핵융합 분야에서 중요한 과제라고 할 수 있다.
5. 결론
앞서 언급한 핵융합 장치와 관련된 환경을 종합해보면, 진공, 초고온, 극저온, 고자기장 등의 용어들이 많이 소개되었다. 이런 환경은 우주와도 흡사하다. 핵융합 기술은 가속기와도 공통되는 부분이 많다고 하였다. 그러니 핵융합 기술은 우주과학과 가속기 그리고 재래식 핵분열 발전 등과 기술을 공유할 수 있는 융합분야다. 한편 ITER는 인류 최초로 기간이 정해진 구체적인 임무를 수행하는 국제공동 프로젝트라고 하였다. 앞으로 국제사회는 기후변화를 막기 위한 공동연구를 좀 더 구체적인 프로젝트로 발전시켜 진행할 가능성이 높으며, 갑작스럽게 나타난 혜성이 지구를 향해 접근해오는 경우가 생긴다면, 충돌에 대비한 마치 만화같은 지구 살리기 공동 프로젝트 같은 것을 상상해 볼 수도 있다. 냉전 후 불과 몇 십년만에 세계화는 가시적으로 세계경제와 각국가들의 운명을 하나로 묶어두고 있다. 핵융합 기술과 ITER 프로젝트는 앞으로의 세계가 과학과 어떻게 연결될 것인지 그 방향을 보여주고 있어 한국 과학계가 눈여겨보고 배워야 할 점이 많다.
References
1. https://www.iter.org/mach, viewed, November 15, 2019.
2. https://www.nfri.re.kr/kor/pageView/16, viewed November 17, 2019.
3. https://www.pppl.gov/research, viewed November 19, 2019.
4. https://fusionforenergy.europa.eu, viewed November 21, 2019.