자기장 가둠 핵융합

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 원자핵으로 변하면서 막대한 에너지를 방출하는 물리 현상이다. 지구에서 이를 실현하기 위해서는 원자핵 사이의 전기적 반발력을 이겨낼 수 있는 초고온·고압 상태가 필요하다.

자기장 가둠 방식은 이온화된 기체 상태인 플라즈마가 전기적 성질을 띤다는 점을 이용한다. 강력한 자기장을 형성하여 플라즈마 입자들이 일정한 궤도를 따라 움직이게 함으로써, 초고온의 플라즈마가 용기 벽면에 직접 닿아 식거나 용기를 파손시키지 않도록 공중에 부양시켜 가두는 것이 핵심이다.

자기장 가둠을 구현하는 장치는 형태와 자기장 형성 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다.

• 토카막(Tokamak): '토로이드 자기장 구멍'이라는 의미의 러시아어에서 유래했다. 도넛 모양의 진공 용기에 외부 코일과 플라즈마 자체에 흐르는 전류를 이용해 자기장을 형성한다. 현재 가장 널리 연구되는 방식이다.
• 스텔러레이터(Stellarator): 원환면을 꽈배기처럼 꼬아놓은 복잡한 형태의 코일을 사용하여 자기장을 만든다. 토카막과 달리 플라즈마에 전류를 흘릴 필요가 없어 연속 운전에 유리하지만, 구조가 매우 복잡하여 설계와 제작이 어렵다.

자기장 가둠 핵융합을 성공시키기 위해서는 다음과 같은 고도의 기술이 요구된다.

1. 초전도 자석: 강력한 자기장을 장시간 유지하기 위해 전기 저항이 없는 초전도 자석을 사용한다. 이를 위해 자석을 영하 269도 부근까지 냉각하는 극저온 기술이 필수적이다.
2. 플라즈마 가열: 플라즈마 온도를 1억 도 이상의 초고온으로 올리기 위해 중성입자 입사 장치(NBI)나 고주파 가열 장치 등이 사용된다.
3. 진공 용기: 핵융합 반응이 일어나는 공간을 고진공 상태로 유지하여 불순물 유입을 차단해야 한다.

대한민국은 KSTAR(한국형 초전도 핵융합 연구장치)를 통해 초고온 플라즈마 운전 분야에서 세계적인 성과를 거두고 있다. 또한, 한국을 포함한 7개국이 공동으로 프랑스에 건설 중인 ITER(국제핵융합실험로)는 자기장 가둠 방식을 통해 핵융합 에너지의 대량 생산 가능성을 실증하는 것을 목표로 한다.