꿈나무 푸른 교실 - [10월 자유주제] 환경과 미래를 위한 핵융합 에너지
한국핵융합에너지연구원 KSTAR
22기 기자 성림초등학교 고준
꿈나무 푸른 교실 - [10월 자유주제] 환경과 미래를 위한 핵융합 에너지
한국핵융합에너지연구원 KSTAR
22기 기자 성림초등학교 고준
다른 기자님들의 기사를 열심히 읽어 보았어요. 환경 문제에 관한 여러 가지 정보 들을 알게 되었어요. 오늘은 제가 알고 있는 것 중에서 신재생에너지인 핵융합 발전에 대해서 기사를 써 보려고 해요. 공부를 하긴 했지만 워낙 어려운 내용들이 많아서 공부하면서 모아 놓은 자료들을 정리하는 기사에요. 제가 핵융합 발전과 KSTAR에 대해서 처음 알게 된 건 한국기초과학지원연구원에서 매년 주최하는 [주니어닥터]라는 프로그램에 참여하면서 부터랍니다. 처음에 제가 관심이 있는 천문학에 관련된 내용인줄 알고 인공태양에 관련된 수업을 들었는데, 천문학이 아닌 핵융합에 관련된 내용이었어요.
혹시 핵융합이라고 들어 보셨나요? 핵융합은 꿈의 에너지라고 불린답니다. 바닷물만 있으면 거의 무한정 생산 가능 한데다 방사능의 위험이나 온실가스와 같은 공해물질로 부터도 자유로운 청정에너지이기 때문이에요. 그런데 핵 하면 무서운 상상이 들지 않으세요? 가까운 일본만 하더라도 후쿠시마에서 원자력 발전소가 터지면서 방사능이 유출 되었었잖아요. 그래서 후쿠시마 농산물을 수입금지하고, 올림픽에 참가한 선수들도 후쿠시마 농산물을 안 먹고 도시락으로 먹었고요. 저도 처음에는 핵융합이라고 해서 굉장히 위험한 거라고 생각했었는데, 핵융합과 핵분열은 서로 다른 거랍니다.
핵분열은 무거운 원자핵이 중성자와 충돌하여 두 쪽 이상으로 분열되면서 에너지와 2~3개의 중성자를 방출하는 현상을 말합니다. 보통은 U-235와 같은 무거운 원자핵을 사용하는데 이때 방출되는 중성자를 다른 U-235에 흡수시켜 같은 반응을 반복시키면 연쇄반응이 일어나게 됩니다. 이 연쇄반응을 조절하여 유지하는 장치가 바로 원자로입니다.
핵융합은 가벼운 원자핵들이 높은 온도에서 충돌하여 뭉치는 반응을 이야기합니다. 태양도 이런 반응을 통해 에너지를 생산합니다. 지구에서 이런 핵융합에너지를 얻기 위해서는 1억℃ 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 핵융합장치와 연료로 쓰일 중수소와 삼중수소가 필요합니다.
핵융합 발전은 극소량의 수소를 필요할 때마다 융합로에 조금씩 투입해서 연료를 보충하는 방식으로 이루어 져요. 반응로 안에서 핵반응 제어에 문제가 생기더라도 폭발이 일어날 만큼의 연료가 없어요. 핵융합 발전에 사용되는 연료인 수소는 매우 엷은 플라스마 상태로 반응로에 가둬지는데, 수소 플라즈마는 고체와는 달리 밀도가 매우 낮아서 부피 당 열에너지 수용량이 아주 낮아요. 그래서 제어에 실패해서 플라즈마가 반응로 내벽에 부딪히더라도 반응로가 녹는 폭발은 일어나지 않고, 플라즈마가 식어서 핵반응이 중단되기만 해요. 간단히 말해 핵융합 반응 제어에 실패해도 자기가 알아서 식어버리기 때문에 대형 참사가 발생할 일은 전혀 없다는 뜻이에요.
현재 세계가 소모하고 있는 에너지의 양은 생성되는 양보다 더 많기 때문에 머지않아 화석 연료는 바닥을 보일 수밖에 없어요. 또 화석연료에서 발생하는 이산화탄소는 지구온난화 등의 환경문제들을 발생시키고 있어요. 그래서 새로운 에너지 개발은 인류가 해결해야 하는 공통과제로 떠오르고 있어요. 이런 조건에 맞는 에너지를 찾기 위한 노력으로 태양 에너지, 풍력 에너지, 해양 에너지, 지열 에너지와 같은 자연을 이용하는 방법이 등장하기도 했지만, 이런 방법들은 환경 조건이 맞아야 하고 한꺼번에 많은 양을 만들기도 어려워요. 이런 고민을 날려 줄 새로운 에너지가 바로 대용량 에너지 생산을 가능하게 하는 핵융합에너지에요. 태양처럼 무한하고 강력한 에너지를 만들자는 생각에서 시작되었답니다.
지구상에서 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 1억℃ 이상의 초고온의 플라즈마 상태가 필요해요. 이 때 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 초고온의 플라즈마 상태를 유지할 수 있는 용기가 있어야 해요. 이런 환경 조건들을 만들기 위해서 과학자들은 많은 고민을 하셨고, 마침내 자기장을 이용하는 방법을 찾아내었어요. 바로, 자기장의 영향을 받는 플라즈마가 생성되는 용기 안에 강한 자기장을 걸어주어 플라즈마 입자들이 자기장 밖으로 빠져 나갈 수 없게 하는 것입니다. 이러한 원리를 이용해 지구에서 만드는 장치를 과학으로 만든 태양이라는 의미를 담아 인공태양이라 부른답니다. 인공태양의 중요한 역할은 핵융합 반응이 일어 날 수 있는 초고온의 플라즈마를 완전히 가둘 수 있는 장치가 되어야 해요. 1950년대 초반 구소련의 물리학자 사하로프(Sakharov)와 탐(Tomm)이 생각해 낸 가장 적절한 인공태양은 도넛 모양의 그릇이었어요. 이 핵융합 장치는 러시아어의 합성어로 트로이드 자기장 공간이란 뜻을 담은 ‘토카막’이라고 이름 지어졌답니다.
이 토카막을 영화에서 표현한 게 있는데 바로 아크로원자에요. 아크원자로는 아이언맨이 직접 만든 발명품입니다. 영화 속의 아이언맨, 토니 스타크는 천재적인 두뇌를 가진 과학자이자 무기업체 CED인데요, 아프가니스탄에서 신무기 발표를 마치고 돌아가던 중 게릴라군의 공격으로 수류탄 파편이 몸에 박히게 돼요. 이 파편이 더 이상 심장으로 가지 못하게 막기 위해 전자석의 대용으로 이 아크원자로를 만들어요. 이후 아크원자로를 통해 엄청난 에너지를 활용할 수 있다는 사실을 알게 되고 이것으로 세상을 구하기 위해 싸우게 됩니다. 이렇게 거대한 에너지를 압축한 것이 아크원자로에요. 아직 까지는 현실에서 만들어 낼 수 없지만, 우리 대한민국에 인공태양을 만드는 핵융합 장치가 있답니다. 바로 인공태양 K-STAR이에요.
‘대한민국의 태양’ 이라고도 불리는 K-STAR는 약 12년에 걸쳐 2007년 순수 국내 기술로 독자 개발에 성공한 후 본격적인 가동 단계에 들어선 초전도 핵융합 연구장치에요. K-STAR는 도넛 모양의 진공용기를 초전도 자석으로 둘러싼 토카막형 핵융합장치로 지름 약 9m, 높이 약 9m 크기의 국내에서 가장 큰 핵융합 연구장치랍니다. 우리나라는 국가핵융합연구소(현재 한국핵융합에너지연구원)에서 1995년 무렵부터 핵융합 연구를 시작했어요. KSTAR는 2008년 첫 플라즈마를 발생시키는데 성공했어요. 2020년에는 2만5900여 번의 실험을 통해 1억도 초고온 플라즈마를 20초 유지하는데 성공했고요. 이젠 핵융합 발전 상용화에 한걸음씩 다가가고 있어요. 프랑스 카다라쉬 ITER(국제핵융합실험로)에는 EU, 미국, 러시아, 일본, 중국, 인도, 한국이 참여해 국제핵융합실험로 건설에 힘을 모으고 있어요. 한국은 이 분야에서 한참 후발주자였어요. 우리나라는 국제핵융합실험로의 축소판을 우리가 먼저 짓고 실험 후 실력을 갖추고 ITER에 가입한다는 '중간진입전략'이 주효하며 2003년부터 합류했어요. 하지만 KSTAR가 성공적인 결과를 얻으며 ITER에도 토카막 핵융합로 방식이 그대로 적용됐어요. 핵융합 연구의 후발주자였던 한국이 가장 주도적 국가로 성장하면서 지금은 국내 연구자들이 ITER 건설을 진두지휘하고 있답니다. 토카막 진공용기 9개 섹터 중 첫 번째인 6번 섹터를 국내기업에서 제작할 정도로 기술력을 인정받고 있어요. 약 4년 뒤 2025년에는 1억도의 첫 플라즈마 발생을 볼 것으로 기대하고 있어요.
대단하고 멋지지 않나요!! 우리의 기술로 인공태양을 만들어 내고 있어요. 지구의 미래를 위해서도 꼭 필요한 에너지 기술인 것 같아요. 먼 훗날 우주여행이 가능해지면 우리에게 무한한 에너지를 제공해 주고 인류에게 아주 많은 가능성을 제공해 줄 거에요.
과학문화포털 사이언스올 | (scienceall.com)
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"한국형 인공태양 ‘KSTAR’...‘1억℃ 300초’ 상용화의 내일을 달궈라 [미래산업 플러스-한국핵융합에너지연구원은 지금]"- 헤럴드경제 (heraldcorp.com)
[대덕, 대덕人 ③] "인류의 미래, 인공태양을 만든다" KSTAR < 오피니언 < 뉴스 < 기사본문 - 헬로디디 (hellodd.com)
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