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 반발력(쿨롱 힘)을 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. 이러한 원리를 '자기 병(Magnetic Bottle)'이라고도 부른다.

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 방식이며, KSTAR와 ITER가 대표적이다.
• 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. 진공 기술은 플라즈마의 순도와 안정성을 유지하는 데 핵심적이다.

대한민국은 KSTAR(한국형 초전도 핵융합 연구장치)를 통해 초고온 플라즈마 운전 분야에서 세계적인 성과를 거두고 있다. KSTAR는 2008년에 완공되어 2010년부터 본격적인 운전을 시작했으며, 2020년대에는 1억 도 이상의 플라즈마를 30초 이상 유지하는 데 성공했다. 또한, 한국을 포함한 7개국(유럽연합, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도)이 공동으로 프랑스 카다라슈에 건설 중인 ITER(국제핵융합실험로)는 자기장 가둠 방식을 통해 핵융합 에너지의 대량 생산 가능성을 실증하는 것을 목표로 한다. ITER는 2025년 첫 플라즈마를 목표로 건설이 진행 중이다.

자기장 가둠 핵융합의 상용화를 위해서는 여러 기술적 도전 과제가 남아 있다.

• 플라즈마 불안정성: 고온 플라즈마는 다양한 불안정성(예: 티어링 모드, ELM)을 보이며, 이를 제어하는 것이 중요하다.
• 삼중수소 생산: D-T 반응에 필요한 삼중수소는 자연에 거의 존재하지 않으므로, 핵융합로 내에서 리튬을 이용한 증식 기술이 필요하다.
• 재료 문제: 초고온 중성자 플럭스에 견딜 수 있는 내열·내방사선 재료 개발이 필수적이다.
• 경제성: 현재 건설 및 운영 비용이 매우 높아, 경제성을 확보하기 위한 기술 혁신이 요구된다.