세계는 지금 화석연료의 고갈과 지구온난화 문제를 해결할 차세대 에너지원 개발이 시급한 문제다.
이러한 환경 속에서 무한·청정에너지로서의 가능성을 인정받고 있는 핵융합에너지는 기존 에너지원의 한계를 극복할 최적의 대체에너지로 각광받고 있다.
미래 에너지 자원 선점을 위한 치열한 경쟁 속에서 한국의 국가핵융합연구소도 차세대 핵융합연구장치(KSTAR) 개발·운영과 국제핵융합실험로(ITER) 사업 참여 등 핵융합에너지 핵심기술을 확보하기위한 연구개발에 한창이다.
에너지 자원의 근본적 해결은 물론 에너지 수출국으로 발돋움할 기반 마련에 힘쓰는 국가핵융합연구소의 중점사업을 소개해본다.
◆'인공태양' 올해 본격가동
지난해 과학기술계에서는 가장 중요한 사건으로 '한국의 인공태양 핵융합연구장치(KSTAR) 가동'을 꼽았다. 우리나라가 KSTAR 건설을 통해 세계 최고성능의 초전도자석 제작기술을 보유하는 등 핵융합에너지 시대의 연구기반을 마련했기 때문.
핵융합은 태양이 빛과 열을 내는 원리를 모방한 것으로, 지구에서 만들기 위해선 인공적으로 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들고 강한 자기장을 발생하는 핵융합장치를 이용해 가둬야한다. 이처럼 핵융합에너지의 상용화를 위해 연구하는 실험장치가 바로 KSTAR다.
건설에만 12년 걸린 KSTAR는 올해부터 본격 가동에 들어간다. 올해의 주요 실험은 플라즈마 발생실험으로 0.1초 동안 100킬로암페어의 최초 플라즈마를 발생시키는 게 목표다.
이를 위해 핵융합연구소는 진공, 냉각, 전원제어, 최초 플라즈마 달성이라는 4단계 종합 시운전계획을 진행할 예정이다. 연구소는 현재 1단계 상온진공 시운전을 성공적으로 마무리하고, 2단계 저온냉각 시운전을 준비 중이다.
핵융합연구소 관계자는 "KSTAR는 중형급 핵융합장치 중에서는 세계최초로 진공누설 없이 단번에 진공시운전을 성공했다"며 "중국과 인도의 핵융합장치 'EAST', 'SST-1'처럼 진공누설이 일어날 경우 거대 진공용기의 해체와 재조립을 반복해야한다"고 설명했다.
연구소는 4월중 자석의 초전도를 유지하기위해 액체헬륨으로 냉각시키고, 초전도 전류 연동시험 등 초전도전원 시운전을 거쳐 9월쯤 최초 플라즈마를 발생시킬 계획이다.
이같은 플라즈마 발생으로 KSTAR장치는 극저온과 초고온이 공존하게 된다. 세상에서 가장 뜨거운 플라즈마(1억도)를 진공용기 내에 붙잡아 두기 위해 세상에서 가장 차가운 재료인 초전도자석(영하 290도)을 사용해야하기 때문.
핵융합연구소 오영국 운전실험연구부장은 "최초 플라즈마 달성은 본격운영을 위해 눈 뜨는 일과 같다"며 "이는 KSTAR의 종합 시운전 완성과 함께 핵융합연구장치로서 정상운전의 시작점을 뜻한다"고 설명했다.
신재인 소장은 "올해를 기점으로 KSTAR가 동작을 제대로 하는 것을 보여줘야 국제적으로도 활발한 협력이 가능할 것"이라고 밝혔다.
KSTAR의 플라즈마 발생기술은 ITER의 초기 플라즈마 방전에 바로 적용가능하다는 게 연구소 측 설명이다. 연구소는 앞으로 KSTAR에 대해 중장기 운영계획을 수립하고 고성능 운전성능 실현을 통해 2012년까지 핵융합 5대 강국에 진입할 계획이다.
◆ITER에도 적극 참여
우리가 개발한 KSTAR의 핵심 기술들이 국제공동연구로 추진되는 국제핵융합실험로(ITER) 사업에 적용되는 점도 고무적이다.
ITER은 국제협력 하에 핵융합발전 실험로를 건설하는 프로젝트로 우리나라, EU, 일본, 러시아, 미국, 중국, 인도 등 7개국이 공동으로 참여하고 있다.
ITER사업은 지난 40년간 세계 핵융합 실험장치들이 이뤄낸 실험결과들을 종합해 핵융합에너지 상용화를 공학적으로 점검하는 것으로 향후 6조원을 투입해 2015년 프랑스 남부 카다라슈에 ITER을 완공하는 것을 목표로 하고있다.
신재인 소장은 "ITER사업 참여로 우리나라는 핵융합 선진국들이 20년간 축적한 핵융합로 공학적 설계기술을 습득할 뿐 아니라 ITER조달품목 납품을 통해 산업체의 첨단기술 이전효과를 얻게 된다"고 설명했다.
ITER개발사업 분담비용의 경우 우리나라는 현금으로 22%, 현물로 78%를 지불한다. 우리나라는 진공용기, 초전도자석, 삼중수소 운송·저장, 전력공급계통, 블랑켓 등 총 10개 품목을 국내기술로 제작·공급한다.
현금분담은 건설직접비, ITER기구가 수행할 R&D비용, 전문인력 및 지원인력 직접고용 비용 등으로 구성된다.
우리나라는 ITER 조달품목 개념·공학·제작 설계를 각 조달품목별 조달 일정 및 계획에 따라 진행할 예정이다.
기구운영에 지속적으로 참여, 핵심기술을 습득하기위해 올해는 ITER 기구에 국내인력 7명 이상을 파견하는 것이 목표. 이밖에도 ITER 기구 및 참여국과의 기술협력, 핵융합 핵심기술개발 지속추진, 종합사업관리 인프라 및 관리시스템 구축 등에 힘쓸 예정이다.
핵융합연구소 관계자는 "오는 6월 일본에서 열리는 제2차 ITER 이사회에서 종합사업 일정이 확정되며 이때 ITER 추가 설계변경 등에 관한 협의가 함께 진행될 것"이라고 밝혔다.
◆플라즈마 응용기술로 산업화 기여
핵융합연구와 ITER 프로젝트가 장기적 사업이라면 그 파생기술에 해당하는 플라즈마 응용기술은 당장 산업체에서 쓰일 수 있는 분야. 핵융합연구소는 산업체에서 광범위하게 사용되는 응용플라즈마의 원천기술을 개발, 신산업 창출에 기여하고 있다.
플라즈마 응용기술은 반도체부터 항공우주 산업분야까지 응용분야가 넓은데다 플라즈마 발생에 따른 폐기물이 거의 없어 수소에너지, 태양전지, 고도 정수시설 등 환경 분야의 중추기술로 꼽힌다.
연구소는 중성입자빔을 이용한 실리콘 박막의 저온 증착기술, 절연체 박막 형성기술개발 등을 진행할 예정이다. 중성입자빔을 이용한 반도체 제조공정은 60나노 이하의 나노공정에 유리하며 상온공정이 가능해 유리, 플라스틱 등 다양한 기판 선택이 가능한 장점이 있다.
대기압 플라즈마 응용기술 분야도 TFT-LCD용 장비 개발 사업화를 추진하기위해 국내 대학 및 대기업과 구체적 협력방안을 모색할 계획이다. 대기압 플라즈마 공정장비는 고가의 진공장비가 필요하지 않아 초기 투자비용 절감과 단위시간당 생산량 증가 효과가 있다.
또한 군산시 및 군산대와 공동연구를 통한 고효율 브라운가스(수소와 산소의 혼합가스) 발생장치의 개발·운영 등도 지속된다.
국가핵융합연구소(NFRI)는 핵융합에너지 개발 및 핵융합 파생기술의 확산, 산업화를 추진하는 핵융합 전문 연구기관이다. 우리나라는 지난 95년 말 국가 핵융합 연구개발 기본계획을 확정, '차세대 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)'개발운영사업을 시작했다. 96년엔 핵융합 연구개발 사업단이 출범했으며, 2002년엔 핵융합 특수실험동 건물이 완공됐다. 2003년 6월 우리나라는 국제핵융합실험로(ITER)에 가입해 핵융합 상용화에 동참을 선언했다. 아울러 2004년 주장치 조립·설치 착수에 들어간 KSTAR는 2007년 9월 KSTAR 장치 개발을 완료했다. 2005년 기초과학지원연구원 부설 핵융합연구센터로 출범한 연구소도 KSTAR 완공과 함께 국가핵융합연구소로 재탄생했다. 현재 국가핵융합연구소는 국가 핵융합연구개발 사업의 중심기관으로서 국제핵융합 공동연구기관으로 운영중이다. KSTAR 핵융합장치 운영을 통해 ITER의 파일럿 플랜트 역할을 수행하는 한편 플라즈마 응용기술을 통해 신산업 창출에 기여하는 것이 주된 목표다.  포토뉴스
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