韓 연구진, 초고온 플라즈마 8초간 1억도 유지… 세계 최장 기록

'꿈의 에너지 자원'으로 불려온 인공태양 분야에서 국내 연구진이 중요한 돌파구를 마련했다는 소식이 최근 전해졌다.

지난 16일 국가핵융합연구소가 인공태양이라 불리는 초전도핵융합장치 케이스타(KSTAR)로 섭씨 1억℃ 초고온 플라즈마를 8초간 유지하는데 성공했다고 밝혔다. 지난 2018년 세계 최초로 해당 온도에서 1.5초를 유지한데 이어 이번에는 5배 이상의 성과를 낸 것이다.

태양은 핵융합 반응이 일어날 수 있는 고온 플라즈마 환경을 스스로 만든다. / 국가핵융합연구소 제공
인공태양은 대표적인 미래 청정에너지로, 전 세계 정부와 과학계가 연구 개발에 주력해온 과제 중 하나다. 새로운 청정 에너지의 필요성은 이미 오래전부터 제기돼 왔다. 학계에서는 현재 우리가 사용하는 석탄과 석유 가스 등 화석연료는 짧게는 50년, 길게는 200년이면 고갈될 것이라는 전망이 나온다. 이 때문에 인류의 생존을 위한 새로운 포스트 에너지로써 인공태양 개발에 선진국들이 앞다퉈 나선 상황이다.

유석재 핵융합연구소 소장은 "이번에 KSTAR 연구로 얻은 성과와 연구 역량은 국제공동으로 개발 중인 국제핵융합실험로(ITER) 건설 프로젝트 운전 단계에서 연구 주도권 확보에 기여할 뿐만 아니라, 향후 핵융합실증로 건설을 위한 핵심기술 확보로 이어진다"라고 설명했다.

태양은 지구에 사는 대부분의 생명체에게 필요한 에너지를 제공하는 가장 중요한 근원이다. 땅 속이나 깊은 심해에 사는 소수 생명체를 제외하고 지표 근처에 사는 대부분의 생명체는 태양에너지를 이용해 살아간다. 태양은 현재 초당 약 3.9×1028J에 해당하는 에너지를 생산하는데, 이는 핵폭탄 약 1000조개에 달하는 수준이다.

태양이 이같은 무한한 에너지를 일으킬 수 있는 근원은 핵융합반응이다. 지구에서 이같은 핵융합에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치와 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다. 이같은 초고온 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있다.

KSTAR 등의 핵융합장치는 초고온의 플라즈마를 진공용기 속에 넣고 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두어 핵융합반응이 일어나도록 하는 원리를 갖고 있다. 여기에서 가장 중요한 점은 플라즈마가 안정적으로 유지되어야 한다는 점이며, 특히 태양처럼 중력이 강하거나 온도가 높은 환경이 필요하다.

핵융합연구장치 '케이스타'(KSTAR). /국가핵융합연구소
태양의 표면온도는 6000℃, 중심 온도는 1500만℃이지만 압력이 1000억 기압에 달해 수소와 같은 원자들이 플라즈마 상태에서 핵융합을 일으키면서 엄청난 에너지를 발생한다. 하지만 지구에서 인위적인 핵융합을 발생시키려면 1억℃의 초고온이 필요하다.

현재 과학계에서 인공태양 유지의 가장 큰 관건은 1억℃를 300초간 유지하는 것으로 보고 있다. 플라즈마가 안정적으로 유지되려면 태양처럼 중력이 강력하거나 아니면 온도가 높아야 한다. 지구에서 인위적으로 핵융합을 일으키려면 태양의 핵보다 훨씬 높은 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어 300초를 넘길 경우 24시간 운영이 가능할 것으로 전망되고 있다. KSTAR 연구진은 2025년까지 300초 달성을 목표로 연구에 매진하고 있다.

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