KOSEN 한인과학기술자네트워크

대덕연구단지에는 '인공 태양' 만들기에 도전하는 곳이 있다. 다름 아니라 한국기초과학지원연구원(www.kbsi.re.kr) 핵융합사업단에서 추진하고 있는 초전도 핵융합장치 건설사업 KSTAR (Korea Superconducting Advanced Tokamak Research) 건설 사업을 일컫는다. 핵융합에너지는 21세기 석유와 석탄, 원자력 등을 대체할 꿈의 에너지라고 불리우기도 한다. 지난해 9월에는 이미 연구원내에서 핵융합 실험을 할 수 있는 거대한 실험 건물 준공식도 가졌다. 이 건물에는 무게 1천톤의 육중한 핵융합 장치 'KSTAR' 가 들어설 예정이다. KSTAR는 현재 제작중이다. 2005년 시험가동에 들어간다. 시험가동에 들어가면 KSTAR는 중수소를 1억도이상으로 가열해 핵융합반응을 일으키게 된다. 핵융합 사업에는 국내외 과학자들이 참가하고 있다. 그중 돋보이는 활약을 벌이고 있는 과학자가 핵융합사업단 특별연구원 이덕교 박사(65)다. 이 박사의 전문 분야는 전산물리다. 특히 핵융합에서의 전자기학 해석분야다. 이름에서 짐작할 수 있듯이 그가 담당하는 분야는 첨단 과학기술의 총아라기 보다는 물리학 전기공학 응용수학 전산과학이 섞여진 상당히 복잡 난해한 부분이다. 그러면서도 많은 인내심을 요구하는 까다로운 분야이기에 세계적으로도 전공자들이 그리 많지 않은 분야이다. 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 초고진공상태의 대형진공용기 안에서 지구 자기장의 10만 배에 해당하는 자기장에 담아 놓는 자기핵융합(Magnetic Fusion)에는 없어서는 안될 핵심 분야이다. 즉, 무형의 자기 용기(Magnetic bottle)을 어떻게 만드느냐에 따라 초고온 플라즈마에서의 핵융합 반응을 유지하기위한 초기 조건이 결정되는 것이며, 또한 고자기장을 만들어내는 전자석들의 설계 및 전자석들의 설계 안전성을 검증하는 해석 절차에서도 절대적으로 필요한 분야이다. 따라서 이 박사의 정밀한 계산 결과가 없다면 핵융합 장치의 최고 핵심 부품인 자기장을 만들어 내는 전자석의 설계는 사실 상 불가능 한 것이다. 국내에 아직 이 분야에서는 전문가가 없는 형편이기에 이 박사는 이를 누군가에게 전수해 주어야할 필요성을 요즈음 절실히 느끼고 있다. -어린시절과 걸어온 길을 말해 달라. =평안남도의 강서가 고향이고 평양 남포 용강에서 어린시절을 보냈다. 아버님은 해방된해 남포에서 병환으로 30대초에 일찍 돌아가셨고. 당시 가족은 어머님과 누나, 그리고 남자, 여자 동생이 있었다. 생활이 어려워져 용강의 '동모리'란 시골에서 혼자 살고 계시던 외할머님 집으로 이사갔다. 중고등학교는 8 km 거리에 있는 진지동이라는 곳에 있었고 대중교통은 전혀 없었다. 1950년의 6.25로 남북의 많은 사람들이 당시 집을 '잠시' 떠난것이 오늘 이산의 민족 비극을 만들었는데, 이 박사도 그중 하나가 된것이다. 남쪽에는 친척 한명 없다. 정말 한명도 없다. 잠깐 헤어진다고 생각했지 영영 이별이라고 생각하지 않았다. 휴전선이 생길 것이라고 생각한 사람은 아무도 없었다. -학교 생활은 =남한으로 내려와서 정착한 곳이 서울의 후암동이다. 혼자서 살았다. 어린 시절이지만 안해본 일이 없다. 막노동은 기본이다. 당시 콩나물 공장에서 일 했는데, 아침마다 용산고와 수도여고쪽으로 등교하는 학생들이 굉장히 부러웠다. 이들을 보면서 공부를 하고 싶다는 생각이 간절해졌다. 그래서 야간고등학교에 편입하려고 먼저 찾은 곳이 언덕위에 있는 균명고등학교다. 편입시험은 잘 보았는데 전학증이 없으니 '외교'가 필요 하다고 하여 다른 학교를 찾았다. 동북고등 학교 야간부다. 다행히 이 학교는 '외교' 없이 편입했다. 낮에는 막노동하고 밤에는 공부하는 식의 생활이 반복됐다. 1957년 동북고등 학교를 졸업하고 서울대 문리과 대학 물리학과에 들어갔다. 사실은 의대에 가고 싶었지만 의대에 가면 2년을 더 다녀야 하고, 합격할 자신도 없었다. 고학으로 4년간 대학등록금을 내는 큰 어려움은 있었지만 다행히 61년 졸업할 수 있었다. 성적으로는 서울대 전체 수석을 했지만 60년부터 대통령상이 가나다 순으로 단과대로 돌려가면서 주게되어 총장상에 그쳐야 했다. -졸업한 다음에는 = 미국으로 갈 유학을 준비했다. 미국의 대학원 네학교로부터 전액 장학금을 준다는 소식을 받았지만 여비가 없어서 문제였다. 당시 여비는 정말 큰돈이었다. 다행히도 진로회사의 장학렵 사장님께서 여비를 주셔서 유학수속을 했다. 학교는 세인트 루이스에 있는 워싱턴 대학 박사과정으로 정했다. 군복무는 신체검사결과 면제 받았다. 천신만고 끝에 거의 유학준비를 마치고 이제는 가기만 하면 됐다. 그러던 차에 5.16 쿠데타가 일어났다. 모든 것이 갑자기 변했다. 군에 안간이는 무조건 유학 못간다는 겄이었다. 하지만 우여곡절 끝에 1961년 9월 1일 간신히 유학을 떠나게 됐다. -유학시절을 소개하면 =66년 워싱턴대학에서 양자유체이론 관련 학위논문으로 박사학위를 받고 이대학에서 1년간 연구를 게속？다. 그리고 UC (Univ of Calif) 버클리에서 2년 동안 연구원 생활을 했다. 69년부터 4년간 캔사스 대학의 물리학 조교수, 73년부터 3년간 미 항공우주국 (NASA)서 근무했다. 당시에 오일파동의 여파로 새로운 연료의 개발 필요성이 대두되면서 미국 정부가 핵융합에 적극적으로 연구를 시작했다. 그래서 1976년 동부 테네시주에 있는 오크리지 국립연구소 (Oak Ridge National Laboratory)로 자리를 옮기고 21년간 물리학 전기공학 응용수학 전산과학이 모두 관련된 핵융합분야의 연구생활을 했다. 1997년부터 한국 KSTAR 핵융합 사업에 참여하여 주로 전자기학 해석의 일을 하고 있다. -핵융합은 무엇인가 =핵융합은 가벼운 원자핵이 결합해 무거운 원자핵이 되는 과정을 말하는데, 무거운 원자핵이 둘 이상으로 쪼개지는 핵분열과 다르다. 핵분열때처럼 핵융합 반응후에 미세한 질량 결손(부족)이 나타나는데, 이 질량 차이가 아인슈타인의 유명한 질량에너지 등가원리(E=mc2)에 따라 막대한 에너지로 변환된다. 핵융합 에너지는 원자력 발전소에서 이용되는 핵분열 에너지에 못지 않은 엄청난 양이다. 핵융합 발전에 필요한 기본 연료는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소이다. 일반 수소는 양성자 하나와 전자 하나로 구성되어있는데, 중수소는 수소원자 핵에 중성자가 한개 더 붙어있고 삼중수소는 중성자가 두개 더 붙어있다. 중수소는 보통 바닷물에서 채취하면 되지만, 삼중수소는 희귀물질인 리튬을 중성자와 충돌시켜 만든다. 중수소와 삼중수소는 1억도가 넘는 온도에서 원자핵(이온)과 전자가 떨어진 플라즈마 상태에서 핵융합 반응을 한다. 이때 14.1 MeV의 중성자와 3.5 MeV의 '+' 전하를 가진 알파입자(헬륨이온)를 방출한다. 중성자나 알파입자 하나는 에너지가 그리 크지 않지만 수없이 많이 모이면 원자 핵 분열에서 방출 되는 에너지 이상의 에너지가 방출 된다. -토카막의 유래에 대해 소개해 달라 =1951년에 옛 소련의 물리학자 안드레이 사하로프와 이고르 탐이 토카막 이라는 장치를 설계했다. (TOKAMAK: 러시아로 도넛과 같은 모양의 자기 핵융합 실험장치) 1968년 옛소련 쿠르차토프 연구소의 T3 토카막이 성공적인 실험결과를 보인 이래 1970년대와 1980년대를 거쳐 오늘날까지 약 30개국에서 1백여개의 토카막 핵융합 실험장치들이 건설․운영되어 오다가 1996년 유럽의 JET 토카막에서 약 17 MW의 핵융합에너지가 성공적으로 방출 되어 토카막은 이제 세계 핵융합연구의 중심 장치가 되었다. 이번에 한국이 가입의사를 표명한 ITER도 토카막 핵융합 장치이며, 기존의 토카막들이 구리 전자석을 써서 핵융합 지속 시간이 구리가 열을 받아 자기장을 10초 이상 못 유지하는 것에 비해, 초전도 자석을 써서 자기장을 오랜동안 (적어도 수백초) 유지하는 것이 근본적인 차이 점이다. 핵융합 사업단에서 건설하는 KSTAR 토카막도 초전도 전자석을 사용 한다. -연구 활동은 =62년 워싱턴대학에서 공부를 하는데 처음 IBM 대형 컴퓨터가 대학으로 들어왔다. 당시 이런 것도 있나 하면서 깜짝 놀랐다. 지역신문에서도 대대적으로 보도가 되기도 했다. 당시부터 컴퓨터를 사용하여 복잡하고 어려운 많은 물리 문제를 풀어왔다. 특히 오크리지 국립연구소에 있을 때는 미국 최첨단 컴퓨터 설비와 많은 전문가들과 공동연구하며 소련과 일본의 핵융합 연구문제까지도 참여했다. 오크리지 국립연구소는 미 행정부가 지원하는 연구기관으로, (당시15,000여명의) 상근 과학자, 기술자, 지원인력과 객원 연구원 및 학생들이 다양한 과학,기술 전분야에 대해 연구하는 곳으로, 지금은 구조 조정으로 직원수도 축소되고 많이 변화했다. -구체적으로 말씀 해 달라. =컴퓨터를 이용해서 핵융합의 제반 문제를 푸는 것이 나의 몫이다. 핵융합에는 중요한 부분이 많은데 그중의 하나가 컴퓨터를 이용해서 복잡하고 어려은 계산을 하는 분야다. 과거에는 수학적인 방법으로 간단한 계산만을 할수 있었는데 지금은 컴퓨터를 이용해서 해결하는 비교적 새분야다. 과학 기술에서는 계산은 반드시 들어간다. 핵융합도 예외가 아니고, 그중 전자기학의 계산이 많이 필요하다. KSTAR의 핵심 내부는 전자석으로 되어 있으며, 자기장 속에서 핵반응이 엄청나게 높은 온도에서 일어나며 엄청난 에너지가 나오는데, 이것을 자기장 속에 담는 장치가 토카막이다. 만약 이 자기장이 없다면 엄청난 고온 때문에 어떤 용기도 녹아서 증발해버린다. -한국에 온 계기는 =96년초에 한국에서 오퍼를 받았다. 한국에서 KSTAR 핵융합 프로젝트를 진행하는 데 와달라는 것이었다. 당시 3명의 재미 과학자가 제안을 받았는데 두명은 곧바로 왔고 나는 1년 있다가 응했다. 지금 생각하면 오길 잘 한 것 같다. 지금은 어은동의 한빛아파트에 산다. 아내가 한국생활을 좋아한다. -KSTAR는 무엇이고 의미는 어떤가 =95년 12월 국가 핵융합 연구개발 사업으로 출범한 KSTAR는 초전도 전자석에서 만들어지는 평균 3만5000 가우스(지구자장의 10만배)의 자기장으로 1억도 이상의 핵융합 플라즈마를 밀폐,가열하여 수백초 동안 유지하는, 초전도 토카막을 건설 운영하는 프로그램이다. 현재 진행되고 있는 세계적인 핵융합 프로젝트는 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)이라는 것이 있는 데 이것은 미국과 구 소련, 유럽, 일본 등 핵융합 연구 분야의 선진 4개국이 지난 88년도에 핵융합 발전소에 준하는 초대형 초전도 토카막 핵융합 실험장치를 공동으로 제작하는 사업이다. 현재 ITER는 부지 선정작업을 벌이고 있다. KSTAR는 ITER 의 축소판으로 ITER의 운영전에 건설하여 사전 예비시험을 담당할 것으로 보인다. 이러한 ITER와의 공조관계에서 한국은 약 40년 정도 뒤처진 핵융합 연구의 국내 수준을 20년 안에 세계 정상 수준으로 도약시킬수 있는 발판이 마련됐다고 보면 된다. 한국에서 본격적인 핵융합 연구를 하기 위한 첫 번째 단계다. -핵융합의 장점은 =핵융합은 수소를 이용하기 때문에 원료가 풍부하다. 어느나라든지 구할 수가 있다. 당연히 값도 싸다. 또한 다른 화석연료처럼 이산화탄소 등을 배출하지 않아 환경오염과 지구 온난화 문제를 야기하지 않는다. 그리고 운전할 때 나오는 방사능은 아주 극소량이다. 원자력발전과는 근본적으로 다르다. 사고시의 위험성도 적다. 중요한 융합 원료인 중수소의 가격이 같은 열량을 주는 석탄 가격에 비하여 월등하게 낮다. 융합에 쓰이는 중수소는 보통의 바닷물에도 무한정 들어 있어 고갈의 위험이 없다고 볼수있다. -북한에 있는 가족들을 만나본적은 있나 =1986년에 잘 아는 중국 북경대 교수 한분이 평양에 자주 간다고 해서 그분께 부탁하여 가족 소식을 38년만에 들었고, 그 후 서신만 왕래하고 있다. 어머님을 만나보지 못한 것이 한이다. 돌아가셨다는 소식을 들었다. (이대목에서 이박사는 눈시울을 적셨다) Deok Kyo Lee Special Research Scientist Korea Basic Science Institute 52 Yeoeun-Dong,Yusung-Ku Daejeon 305-333,KOREA Telephone: 042-870-1664 e-mail: dklee@kbsi.re.kr 이 덕교 기초과학 지원 연구원 (305-806) 대전 유성구 어은동 52 전화: 042-870-1664 e-mail: dklee@kbsi.re.kr 업적요약 1961 서울대 수석 졸업 1961-66 Washington University 장학생 1966 "다체계 보존입자의 양자론적 문제들"로 Washington University 에서 이론 물리학 박사 1971 University of Kansas 학생들의 교수강의평가에서 물리학과 교수중 1위로 선정 1972 두가지 종류의 전혀 다른 양자 유체론이 궁국에는 동일함을 증명 Eugene Feenberg 저서 "Theory of Quantum Fluids" (Academic, NY, 1969)에서 이 박사의 연구결과가 많이 인용됨 1989 오크리지 국립연구소에서 핵융합 연구장치의 정밀교정을 위한 해석으로 연구업적상 1995 오크리지 국립연구소에서 토카막 플라즈마의 자기진단 축정결과를 이용한 평형계산 방법론으로 연구논문상 100 여편의 연구논문 국제 학술지에 발표 1998-현재 한국 과학기술 한림원 정회원