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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <47>핵융합기술의 문제점과 과제를 말한다

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  •  |  입력 : 2018-06-11 09:57:14
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“핵융합에너지는 연료가 무한하고 안전하며 깨끗한 꿈의 미래에너지이다.” 무거운 원자인 우라늄이나 플루토늄의 원자핵분열반응을 이용하는 원자력발전의 핵분열로에 비해, 가벼운 원자인 수소나 헬륨에 의한 핵융합반응을 이용해 에너지를 발생시키는 핵융합로에 대한 원자력업계·학계의 관심과 기대는 매우 크다.

핵융합로는 현재 개발중인 원자로의 하나로 원자핵융합반응을 이용한 것으로 21세기 후반에 실용화가 기대되는 미래기술의 하나로 보고 있다. 현재 우리나라를 포함한 세계 각국이 협력해 국제열핵융합실험로 ITER를 프랑스에 건설하기 위해 관련기술 개발이 추진되고 있다.

   
한국, 유럽연합(EU) 등 세계 주요 국가들이 참여하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 공사 현장. 프랑스 남부 카다라쉬 지역에서 2019년 완공을 목표로 한창 공사가 진행 중이다. 연합뉴스
국가핵융합연구소는 지난 5월 7~10일 대전 라온컨벤션센터에서 IAEA(국제원자력기구)가 주관하는 제5차 DEMO(핵융합실증로) 프로그램 워크숍을 개최했다. 이 행사에는 세계 핵융합 전문가 100여 명이 참가했다. 유석재 국가핵융합연구소 소장은 지난 5월 8일 대덕특구 기자 간담회에서 자신의 임기 내에 1억도 초고온 플라즈마 운전 등 주요 연구 사업별 중점 추진 계획을 밝혔다. 유 소장이 밝힌 중점 전략은 △KSTAR(차세대 초전도 핵융합 연구장치) 세계화를 통한 핵융합 노심 기술 개발 △ITER 사업을 통한 핵융합 공학기술 개발 △한국형 핵융합실증로 기반 연구 △국민체감형 플라즈마 원천기술 개발 등이다.

핵융합기술이란 무엇일까? 수소의 원자핵이 반응해 큰 에너지가 방출되는 핵융합에서 수소는 원자핵의 성질이 다른 3개의 동위원소가 있는데 보통 수소(1H), 중수소(2H, D)와 삼중수소(트리튬, 3H, T)를 말한다. 태양의 열원이 핵융합으로 태양 속에선 보통의 수소가 핵융합을 일으키고 있는데 지상에서 태양을 재현할 수는 없다. 핵융합로는 핵융합에 의해 발생하는 에너지를 이용하여 발전하는 설비이며 ITER는 그것을 실현하기 위한 실험로이다. 핵융합로에서 고온의 수소원자핵끼리의 핵반응(열핵 반응)이 일어나지 않으면 안 된다.

일어나기 쉬운 핵반응은 ‘D-T반응’인데 중수소와 삼중수소가 반응하여 헬륨과 고속중성자가 발생한다. 반응에서 발생하는 에너지의 80%를 중성자가 내는데 핵융합로에서는 중성자를 냉각재로 흡수시켜 흡수된 에너지를 물로 전달하고 거기서 발생하는 수증기로 터빈을 돌려 발전한다. 트리튬의 생산을 감안할 때 냉각재로서 리튬을 포함하는 물질을 사용하지 않으면 안 된다. 리튬은 나트륨과 유사한 성질을 가진 금속이다. 용융리튬을 냉각재로 사용하면 용융나트륨을 냉각재로 사용하는 고속증식로와 핵융합로가 유사하다고 볼 수 있다.

   
차세대 초전도핵융합연구장치 ‘KSTAR’. 연합뉴스
연료와 관련하여, 중수소는 수소에 0.015%의 비율로 포함되어 있기에 에너지만 있으면 순수한 중수소를 얻을 수 있다. 문제는 트리튬이다. 트리튬을 얻으려면 리튬을 느린 중성자로 조사하는 것 외에 방법은 없다. 출력 1000㎿(신고리1호기 규모)의 핵융합로를 하루 운전하려면 0.4㎏의 트리튬이 필요하다. 반감기가 12.3년으로 짧기 때문에 이 트리튬의 방사능의 강도는 매우 높다. 저에너지 베타선을 방출하는 트리튬의 방사능독성평가는 어렵지만, 이 트리튬의 100만 분의 1을 물 형태로 입으로 섭취할 때 인간의 건강에 중대한 영향을 미칠 우려가 있다는 것이 학계의 일반적인 소견이다.

핵융합로 운전을 시작하려면 10㎏의 트리튬이 필요한데 이것은 원자로에서 리튬을 조사해 제조해야 한다. 핵융합로 운전개시 후 핵융합에서 발생하는 중성자로 리튬을 조사해 제조하면 좋겠으나 소비된 트리튬과 동일한 양 이상을 얻는 것은 어렵다. 그렇게 된다면 핵융합로 옆에 별도로 원자로를 두어야한다는 것을 의미한다. 이 경우 핵융합로를 건설하는 의미는 줄어들 것이다.

핵융합과 방사능문제는 어떨까? D-T반응은 방사성 삼중수소는 없지만, 중성자에 의해 방사능이 생기는 것이 문제이다. 노의 구조재로 사용되는 스테인리스강에 중성자 조사를 하면 스테인리스강에 포함된 니켈에서 감마선을 방출하는 코발트57(반감기 271일), 코발트58(71일)과 코발트60(5.3년)이 생성된다. 이 양은 1000㎿의 핵융합로가 1개월간 운전한 뒤에는 시설에 접근할 수 없을 정도로 강력한 방사능이어서 1시간 이내에 치사량에 도달하는 곳도 있을 것으로 보고 있다. 방사능은 시간과 함께 감소하지만, 코발트60이 있기 때문에 50년 이상 방사능이 남아 있게 된다. 니켈은 구조 재료의 성분으로서 부적당하다고 본다. 다른 성분인 철에서 망간54(312일)이 있는데 니켈의 경우보다 방사능은 적지만, 피폭의 위험이 있다는 것에는 변함이 없다. 또한 초전도자석과 같은 다른 재료에도 방사능이 생긴다는 것이다.

핵융합발전과 방사성폐기물의 관계는 어떨까? 핵융합발전 시설을 폐쇄하고 장기간 경과 후에도 니켈59(7.5만년), 망간53(360만년) 등이 언제까지나 남아 있게 된다. 대량의 저준위 또는 중준위의 방사성폐기물이 나온다는 것이다. 핵융합로에서는 원자로처럼 알파선을 방출하는 방사능과 장수명의 핵분열생성물은 생산되지 않지만 그래도 잔류방사능에 대한 대응이 필요한 것으로 보고 있다.

이밖에 실제로 핵융합로 건설과 관련해서 기술적인 문제도 무시할 수 없다. 핵융합을 안정된 상태로 지속할 1000만℃가 넘는 고온에 견딜 수 있는 원자로의 구조를 생각해야 하고, 트리튬을 어떻게 안전하게 취급 할 것인가 등의 문제도 산적해 있다. 핵융합문제에 대해 1985년 일본의 권위있는 물리학자인 오시다 이사무 조지대 명예교수는 『인간생활과 에너지』(이와나미신서)에서 ‘아무리해도 성공할 수 없는 연구’로 핵융합을 들었다.

2010년 3월 모이어(M. Moyer)는 『SCIENTIFIC AMERICAN』지에 ‘핵융합의 잘못된 여명(Fusion ‘s False dawn)’이란 글을 게재했는데 2013년 40억 달러 규모의 세계 최대 최강 레이저장치, 미국립점화시설(NIF)과 140억 달러 규모의 프랑스 국제열핵융합실험로(ITER)에도 불구하고 연구자 사이에는 핵융합발전소의 건설과 운전은 핵융합의 불덩어리를 만들어내는 물리적 과제보다 훨씬 어려운 것이라는 인식이 확산되고 있다고 강조하고 있다.

핵융합발전 추진파 입장에서도 핵융합반응 과정에서 고속중성자를 비롯해 각종 고에너지입자의 방사가 발생하기 때문에 그 영향을 최소화하기 위해 애를 쓰고 있다. 그리고 그러한 안전하게 반응을 계속하는 기술, 플라즈마의 안정적인 컨트롤기술, 초전도전자석의 기술, 원격조작보수기술, 리튬이나 중수소, 삼중수소를 다루는 기술, 플라즈마가열기술, 그러한 것을 지탱하는 컴퓨터시뮬레이션기술 등이 필요하다며 개발을 추진하고 있다.

   
차세대 초전도핵융합연구장치 ‘KSTAR’. 연합뉴스
핵융합기술도 장단점이 있는데 우선 장점은 다음과 같다.

첫째, 고준위방사성폐기물이 계속적으로는 많이 나오지 않는다. 일부부품은 고준위에 가까운 방사성페기물이 되지만 재료의 개량이나 개발 등에 의해 개선 가능하다는 것이다. 둘째, 이산화탄소의 방출이 없고, 핵분열반응과 같은 폭주(연쇄반응, 임계)가 원리적으로 나오지 않는다. 셋째, 종래형 원자로에서 발생하는 운전휴지중 잔류열제거계의 에너지손실이나 그 기능상실시 노심용용 리스크가 없다. 넷째, 수소 등의 연료가 보편적으로 존재하고, 또한 값싼 자원을 이용할 수 있다는 것이다.

이에 비해 단점으로는 첫째, 거대시설이 필요하기 때문에 막대한 예산이 든다. 초고온에서 초고진공이라는 물리적인 조건에 의해 실험단계에서 실용단계에 이르는 모든 것이 거대시설을 필요로 하기 때문에 막대한 예산 소요된다. 둘째, 기술적으로 곤란한 점이 있다. 반응에는 1억 ℃ 정도의 고온이 필요하다고 하고, 그러한 고온에서는 물질은 플라즈마상태가 되기 때문에 안전하게 수납할 수 없다는 점이나 그러한 고온을 견딜 융합로 재료가 없다는 점이다. 반응조건이 부드러운 D-T반응이라도 1억 ℃ 정도의 고온이 아니면 충분한 반응이 일어나지 않는다. 특히 반응조건이 까다로운 D-D반응에서는 10억 ℃, 태양내부의 양자-양자연쇄반응을 인공적으로 재현하는 데는 50억℃ 이상의 고온이 필요하다. 그러한 고온상태에서는 물질은 플라즈마상태가 된다. 이에 자력선을 이용해 플라즈마를 갖는 자기차폐방식이 연구되고 있다. 셋째, 노벽 등의 방사화대책이 필요하다. 노심과 연료의 삼중수소(트리튬)에 있어 방사능 위험이 있다는 것이다.

이런 면에서 1989년 상온핵융합의 발견이 세간을 놀라게 했지만 그 뒤 추수시험에서 측정방법에 결함이 있다고 하는 인식이 높아져 현재는 상온핵융합기술은 사이비과학의 하나로 돼 네이처를 비롯한 주요 과학잡지도 상온핵융합에 관해서는 게재거부방식을 보이고 있을 정도라고 한다. 김해창 경성대 환경공학과 교수


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