인공태양의 심장 조립이 시작되다 ITER 건설 현장에 각종 부품 속속 도착 > 과 학

인류 역사상 가장 큰 국제공동 과학프로젝트인 국제핵융합실험로(ITER) 건설이 예정대로 착착 진행되고 있다. 이달 초 ITER의 공사 현장인 프랑스 남부 카다라쉬에 대형 탱크를 실은 트럭이 들어섰다. 핵융합로 냉각재의 삼중수소 제거 시스템을 구성하게 될 그 대형 탱크는 유럽에서 처음으로 제조된 장비여서 주목을 끌었다.

스페인의 에퀴포스 뉴클레아레스 사에서 제조된 탱크는 삼중수소를 함유한 냉각수를 수집하여 삼중수소를 회수한 후, 다음에 일어나는 핵융합 반응에 연료로 사용하기 위한 것이다. 탱크 부품 중 4대의 소형 탱크와 1대의 대형 탱크가 이번에 건설 현장으로 인도되었는데, 그 탱크는 현장에서 보관되다가 삼중수소 건물이 완공되면 설치될 예정이다.

프랑스 카다라쉬의 ITER 부지는 축구장 60개만한 크기인 총 60만㎡이다. 거기에 높이 30m, 지름 30m 규모의 토카막 장치가 건설되고, 토카막 운영에 필요한 부대시설 39개 건물이 들어서게 된다.

토카막이란 자기력선 그물망을 이용해 핵융합 발전용 연료 기체인 플라즈마를 담아 두는 특수한 용기로서, 엄청난 온도와 압력을 견뎌야 한다. ITER에 건설되는 토카막은 지금까지 제작된 토카막 중에서 가장 큰 반응로이다. 이 토카막은 500MWt(열출력 메가와트)의 에너지를 생산할 수 있는 플라즈마를 7분 동안 유지할 수 있는 능력을 보유하게 된다.

프랑스 카다라쉬에 건설되고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 조감도. ⓒ 연합뉴스

ITER에 참여하고 있는 국가는 한국, 미국, 중국, 유럽연합(EU), 일본, 인도, 러시아의 7개국이며, 비용 부담은 EU가 절반, 그 외 6개국이 나머지 비용을 균등하게 부담한다. ITER 회원국들이 각국에서 장비를 직접 제작하거나 조달하면 카다라쉬에서 그것을 조립하게 된다.

ITER의 심장이라고 할 수 있는 핵심부품의 조립도 지난 4월부터 시작됐다. 미국의 제너럴 아토믹스에서 제작하는 이 부품은 높이 18m, 직경 4m에 약 1000톤에 달하는 중앙 솔레노이드다. 지금까지 제작된 최대 초전도 전자석 중의 하나인 중앙 솔레노이드는 핵융합 에너지를 얻기 위한 고온 플라즈마를 유지하고 조작하기 위한 부품이다.

토카막 플라즈마를 조절하는 자기장을 형성하여 전류를 이동시키는 역할을 하므로 ITER의 심장이라고 할 수 있다. 제너럴 아토믹스는 7개의 솔레노이드 모듈을 제작하게 되는데, 2017년에 이 모듈의 전도체를 코일로 감는 작업을 완료할 것으로 예상한다. 모듈과 솔레노이드를 지지하는 구조물은 2019년에 카다라쉬의 ITER 건설 현장으로 인도된 후 현장에서 조립될 예정이다.

헌대중공업에서 제작한 첫 번째 특수화물

올해 초엔 ITER의 조립에 사용되는 약 250개의 특수화물 중 첫 번째 화물이 카다라쉬에 도착해 화제가 된 바 있다. 지중해에서 ITER 부지까지 특별히 개발된 경로인 ‘ITER 통로’를 통해 밤 사이에 운반된 그 첫 번째 특수화물은 87톤에 달하는 고압 변압기였다.

이 변압기는 미국 도메스틱 에이전시가 ITER 건설을 위해 조달한 것으로, 한국의 현대중공업이 제작한 것이다. 지난해 11월 울산의 현대중공업 공장을 출발해 해로를 한 달 동안 항해한 후 포쉬메르 산업항구에 도착한 변압기는 올해 1월 12일 트레일러에 적재된 채 바지선을 따라 내륙 바다인 에땅드베르를 통해 운반됐다. 이어 육로를 통해 104㎞를 이동한 후 1월 14일 카라다쉬 건설 현장에 도착했다.

지난해 9월 여러 건의 작은 부품들이 ITER의 전기망을 구성하기 위해 미국으로부터 운반된 바 있지만, 고도 특수화물로 분류된 부품의 도착은 그것이 처음이었다. ITER 토카막을 완성하기 위해선 그처럼 다루기 어려운 특수화물의 운송이 약 250번 반복되어야 한다. ITER 시설은 2027년 가동을 목표로 하고 있다.

핵융합이란 말 그대로 핵이 뭉쳐지는 현상이다. 수소끼리 결합시켜 헬륨으로 변하는 핵융합 반응으로 큰 에너지를 내뿜는 태양을 모방한 것이 바로 ITER이라고 보면 된다. 인류는 이미 1960년대에 수소폭탄 제조에 성공함으로써 인공적인 핵융합을 성공시킨 바 있으나, 발전용 에너지로는 아직 활용하지 못하고 있다. 핵융합 발전에 성공하기 위해서는 아직도 해결해야 할 난제들이 많기 때문이다.

예를 들면 핵융합 에너지를 얻기 위해선 일단 수소 원자핵을 플라즈마 상태로 만든 다음 그것을 토카막에 담아놓고 1억℃ 이상의 초고온과 초고압을 가해 핵융합 반응을 일으켜야 한다. 그런데 플라즈마는 허리케인보다 더 복잡한 난류를 발생시키므로 이를 제어하는 문제도 큰 난제 중 하나다.

핵융합로의 열폭발 통제방법 돌파구 찾아내

하지만 최근 미국 에너지부 산하 프린스턴 플라즈마 물리연구소 등의 공동 연구팀이 토카막에 손상을 줄 수 있는 핵융합로의 잠재적인 열폭발을 통제하는 방법의 단초를 찾아냈다. 지금까지 과학자들은 플라즈마의 경계에서 발생하는 미세 자기장이 어떻게 작용하는지에 대해 완전히 이해하지 못한 상태였다.

그런데 공동 연구팀은 이 미세 자기장이 반응장치에 적용될 경우 플라즈마 경계에서 가까운 자기장에 물결 효과를 일으켜 더 많은 열을 발산시킴으로써 강렬한 열폭발을 제어할 수 있는 역할을 한다는 사실을 새로 밝혀냈다. 이번 발견은 핵융합로를 지속적으로 가동하는 데 장애물이 될 수 있는 열폭발이라는 문제점을 극복할 수 있는 방법을 보여준 것이라는 점에서 큰 의미를 지닌다.

ITER이 성공해 핵융합 발전소가 상용화될 경우 인류는 안전 문제와 원료 걱정이 없는 ‘인공 태양’을 얻을 수 있다. 핵융합 발전소에서도 방사성 물질이 나오지만 원전과는 비교가 안 될 정도로 낮아 안전성에서 훨씬 뛰어나다. 핵융합의 경우 화재와 같은 최악의 사고가 발생해도 주변 지역에 자연 방사능량보다 더 적은 양의 방사능만이 발생할 뿐이다.

또한 핵융합의 원료가 되는 수소는 물을 전기 분해해 얻을 수 있으므로 무한 자원이나 다름없다. 게다가 온실가스 배출이나 고준위 방사성 폐기물도 나오지 않아 ‘꿈의 에너지’로 불린다.

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