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태양에너지의 비밀은 핵융합

SUN ON EARTH

THE SUN ON EARTH

The star SUN
지름 : 1,392,000 ㎞
질량 : 1,989 x 1030
표면온도 : 5,778 K
중심온도 : 15million K
태양의 빛과 열에너지는 지구의 모든 생명체의 근원이며, 앞으로 50억년 이상 에너지를 공급해 줄 것으로 예상되고 있다.

SOLAR ENERGY
태양에너지 방출량 : 초당 3.84 x 1026J
초당 수소폭탄 약 2천억 개의 위력
태양의 수명 : 10,000,000,000 년

FUSION IN THE SUN
수소 핵융합 헬륨
태양 에너지의 근원은 거대한 플라즈마 덩어리인 태양의 중심에서 일어나는 수소 원자핵들의 핵융합 반응이다.

지구의 모든 화석 에너지는 과거 태양으로부터 왔으나, 그 유한성으로 인해 인류는 에너지 고갈 문제에 직면하고 있다.

EARTH Our Planet
공전주기 : 365 일
자전주기 : 24 시간
반지름 : 6,357 ㎞
지표면 : 510,000,000 ㎢

국가핵융합연구소 National Fusion Research Institute
위치 : 대전광역시 유성구 과학로 169-148
설립 : 2005년 10월 1일
핵융합 에너지 개발, KSTAR, ITER, DEMO, 플라즈마 응용 연구 수행

NUCLEAR FUSION

(삼중수소 + 중수소) - (핵융합) - (헬륨 + 중성자)
국가핵융합연구소는 인류의 에너지 문제를 해결하기 위해 태양에너지의 윈리인 핵융합을 지구상에 구현하는 연구를 수행하고 있다.

에너지의 원천, 태양

태양은 지구에서 가장 가까운 별로 스스로를 빛을 낸다. 지구의 모든 생명체를 살아 숨 쉴 수 있게 만드는 근원이 되는 태양의 빛과 열에너지는 태양의 중심에서 일어나는 “핵융합”으로 만들어진다. 태양의 가장 많은 부분을 차지하는 수소의 원자핵들이 충돌해서 헬륨 원자핵으로 바뀌는 “핵융합 반응”이 일어나는데 이때 줄어든 질량만큼 에너지로 바뀌게 된다. 태양은 생성된 지 약 50억 년. 그리고 앞으로도 50억 년 이상 핵융합 반응을 지속할 것으로 예상하고 있다.

핵융합이란?

태양에너지의 원리란 핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵으로 바뀌는 것이다. 원자핵이 융합하는 과정에서 줄어든 질량은 에너지로 변환되는데, 이를 핵융합에너지라 한다. 높은 온도와 중력을 지닌 태양의 중심은 핵융합 반응이 활발히 일어난다. 하지만 지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어 줘야 한다. 지구에서는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 핵융합을 통해 핵융합에너지를 얻는다.

플라즈마란?

초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태로 흔히 “물질의 제4의 상태”라고 부른다. 태양을 비롯한 우주는 99% 이상이 플라즈마 상태이다. 번개나 오로라 같은 자연에서 볼 수 있는 플라즈마 외에도, 형관등이나 네온 사인 및 PDP와 같은 플라즈마를 활용한 전자 제품들을 일상생활에서 접할 수 있다. 지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 태양과 같은 초고온의 플라즈마 상태를 필요로 한다.

핵융합에너지 vs 핵분열에너지

Nuclear Fission (핵분열)
우라늄과 같은 무거운 원소의 원자핵이 중성자와 충돌하여 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 현상으로 이 과정에서 감소된 질량만큼 에너지를 발생

Nuclear Fusion (핵융합)
수소와 같은 가벼운 원자핵들이 반발력을 이기고 무거운 원자핵으로 융합하는 과정에서 감소된 질량만큼 에너지를 발생

핵융합에너지는 원자력에너지로 알려져 있는 핵분열 반응을 통한 에너지와 반대되는 개념이다. 우라늄과 같이 무거운 원자핵이 깨지면서 감소되는 질량이 에너지로 변환되는 핵분열과 달리 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자핵의 융합 과정에서 에너지가 생성된다.

지구에서 핵융합에너지를 얻으려면

핵융합에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치와 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다. 수억 도의 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있다.
핵융합장치는 이 같은 초고온의 플라즈마를 진공용기 속에 넣고, 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두어 핵융합반응이 일어나도록 하는 원리를 갖고 있다. 이 때문에 핵융합장치 벽면에 직접 닿는 부분의 온도는 수천 도에 불과하다. 핵융합장치는 이처럼 태양에서와 같은 원리로 에너지를 만들어 낸다고 해 ‘인공태양’이라 불리기도 한다.

핵융합에너지 발생에 필요한 세가지 조건

핵융합을 만들기 위한 세가지 조건

1. 핵융합 반응을 위한 연료가 필요하다.
핵융합연료는 중수소와 삼중수소가 쓰인다.
중수소는 바닷물에서 추출할 수 있다.
삼중수소는 리튬을 핵융합로에서 변환하여 얻는다.

2. 초고온의 플라즈마 상태가 필요하다.
원자핵들이 서로 밀어내는 핵력을 이기로 융합하기 위해서는 초고온의 플라즈마 상태가 필요하다.
1억도 이상의 초고온에서 활발한 핵융합 반응이 일어날 수 있다.

3. 초고온의 플라즈마를 유지할 수 있는 핵융합장치가 필요하다.
플라즈마는 전기적 성질이 있어 자기장의 영향을 받는다.
핵융합장치는 강력한 자기장을 이용해 초고온의 플라즈마를 유지한다.

연료
바닷물이 필요하다. 핵융합발전의 연료는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소를 사용한다.
중수소는 바닷물을 전기분해하며, 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬과 중성자를 반응시켜 얻을 수 있다. 바닷물은 지구 표면의 70% 이상을 뒤덮고 있으며, 리튬 또한 매장량이 풍부하다.
따라서 핵융합 발전에 필요한 연료는 거의 무한하다고 볼 수 있다.
환경
1억도의 플라즈마가 필요하다. 양(+)전하로 밀어내는 성질을 지닌 원자핵들이 융합하기 위해서는 온도를 높여 서로 밀어내려는 반발력을 이기고 충돌할 수 있도록 해야 한다.
핵융합 반응이 일어나는 태양 중심부는 약 1,500만도 정도이며, 지구에서 핵융합을 만들기 위해서는 태양보다 뜨거운 1억도 이상의 높은 온도의 플라즈마를 필요로 한다.
핵융합 장치
1억도의 플라즈마를 담을 그릇(용기)이 필요하다. 지구에서 핵융합을 실현하기 위해서는 인공적으로 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 담고, 핵융합 반응이 유지되도록 가둬 둘 용기가 필요하다.
이를 위해서 전 세계적으로 다양한 방식으로 연구가 이루어지고 있다. 현재 상용화에 가장 가까운 핵융합 장치는 도넛 형태의 자기장가둠 방식을 이용하는 ‘토카막’ 장치이다.
플라즈마는 전기적 성질을 띤 이온이기 때문에 전기장을 걸어주면 자기력선 주위를 마치 꽈배기처럼 맴돌며 일정한 방향으로 움직이게 된다. 이를 도넛 형태로 이어주게 되면 플라즈마는 도넛 안을 끊임없이 돌며 핵융합을 만들게 된다.

가장 진보한 핵융합장치는 토카막

토카막의 원리 이미지

몇 가지 ‘인공태양’ 방법 중에 국제적인 노력으로 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어한다.
토카막은 러시아말인 ‘toroiidalonaya kamera(chamber) magnitnykh(magnet) katushkah(coil)’의 첫 자를 따서 만든 합성어로, 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후 세계적으로 우수성을 인정받아, 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

핵융합 발전원리

토카막 내부에 있는 기체를 외부로 뽑아내어 진공상태로 만든다.

TF, CS, PF 자석을 냉각시켜 초전도 상태로 만든다.

TF자석에 전류를 흘려 토카막 내부에 도넛 모양의 자기장을 형성한다.

중수소 50%와 삼중수소 50%를 핵융합 연료로 주입한다.

CS자석에 전류를 흘려 토러스 방향으로 전기장을 발생시킨다. 이에 따라 기체 중에 있던 전자들이 회전하기 시작한다.

주입된 기체들이 전기장에 의해 가속된 전자들과 충돌하여 플라즈마가 된다.

다양한 가열장치를 이용하여 플라즈마의 온도를 높인다.

플라즈마에서 핵융합 반응이 일어나며 높은 에너지를 가진 중성자가 발생한다.

블랭킷 리튬층으로 들어간 중성자는 삼중수소를 발생시켜 핵융합 반응의 연료를 생성하는 역할을 한다. 동시에 블랭킷으로 들어간 중성자는 열에너지를 발생시켜 내부를 흐르는 냉각수를 가열한다.

가열된 냉각수는 열교환기에서 수증기를 발생시켜 발전기를 통해 전기에너지로 전환된다.

핵융합발전로 안에서 일어나는 초고온 플라즈마의 핵융합반응을 통해 생성된 중성자의 열에너지가 증기를 발생시키고, 그 증기가 터빈발전기를 돌려 전기를 생산한다.

  1. ① 고진공용기 안에 중수소와 삼중수소를 주입하고 플라즈마 상태로 가열한다.
  2. ② 토카막의 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둔다
  3. ③ 플라즈마를 약 1억도 이상으로 가열해 핵융합반응을 일으킨다.
  4. ④ 핵융합 반응 시 일어나는 질량결손에 의한 핵융합에너지가 중성자 운동에너지로 나타난다.
  5. ⑤ 중성자 운동에너지가 열에너지로 변환돼 증기를 가열, 터빈 돌려 대용량의 전기를 생산한다.

담당부서커뮤니케이션팀