인공태양 핵융합 돌파구...핵폐기물서 원료 생산하고 반응률 향상

작성일 08-25

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 미국 브리티시컬럼비아대(UBC) 연구진이 개발한 소형 입자가속기 ‘썬더버드 리액터’. 사진 출처 버링게트 연구팀(UBC)
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 미래 청정에너지원으로 주목받는 핵융합 상용화 돌파구가 될 기술들이 공개됐다. 핵융합 반응률을 끌어올릴 방안과 핵폐기물을 활용해 핵심 원료인 삼중수소를 연간 2kg 규모로 생산할 수 있는 기술이다.
 잇따라 공개된 연구결과물은 핵융합 반응 효율을 끌어올리는 과제와 희귀 원료인 삼중수소의 안정적 공급이라는 과제를 정면으로 다룬 성과다. 국내에서도 핵융합 발전 실증에 대한 계획이 제시되고 있다는 점에서 주목할 만한 가치가 있다는 평가다. 
 ● 소형 장치로 핵융합 반응률 15% 높여
 커티스 벌링게트 캐나다 브리티시컬럼비아대 교수 연구팀은 전기화학적 방식을 통해 소형 장치에서 핵융합 반응률을 기존 대비 평균 15% 끌어올리는 데 성공했다. 반응률은 핵융합 반응이 실제로 일어나는 빈도나 확률이다. 이번 연구는 핵융합 반응 확률을 화학적 방법으로 조정할 수 있음을 처음으로 입증했다는 평가를 받는다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처’에 21일(현지시간) 게재됐다.
 태양이 에너지를 내는 원리와 같은 핵융합은 두 개의 가벼운 원자가 결합해 더 무거운 원자가 되면서 막대한 에너지를 방출한다. 지상에서 핵융합을 구현하려는 시도는 차세대 청정에너지의 열쇠로 여겨지지만 현재까지 인공 장치에선 투입 에너지보다 더 많은 출력을 얻는 데 실패했다.
 주된 원인은 반응률을 결정짓는 핵심 요인인 ‘연료 밀도’ 때문이다. 원자핵이 충분히 자주 충돌해야만 융합이 일어나지만 이를 위한 고밀도 조건을 구현하기가 매우 어렵다. 기존 연구는 초고온의 플라즈마를 자기장과 압력으로 압축하는 방식에 집중해왔지만 거대한 장치와 막대한 에너지가 필요하다.
 연구팀은 자체 개발한 소형 입자가속기 ‘썬더버드 리액터(Thunderbird Reactor)’를 이용해 팔라듐 금속을 표적으로 삼았다. 여기에 중수소 이온을 빔 형태로 충돌시켜 핵융합 반응을 유도한 뒤, 팔라듐 내부에 중수소가 점점 쌓이면서 충돌 확률이 증가하도록 설계했다. 여기에 전기화학적 주입 방식을 활용했다. 금속을 전해질에 담근 뒤 전류를 흘려 중수소 이온을 팔라듐 내부로 강제로 밀어 넣는 기술이다. 이렇게 전기화학적 주입이 활성화되자 팔라듐 속 중수소 농도가 높아졌고 새롭게 들어오는 중수소와 이미 축적된 중수소가 충돌할 확률이 커졌다. 그 결과 핵융합 반응률은 평균 15% 향상됐다.
 썬더버드 리액터의 성능은 아직 미미하다. 썬더버드 리액터에는 15와트(W)의 전력을 투입해야 하지만 산출되는 에너지는 10억분의 1와트에 불과하다. 실질적인 에너지 생산과는 거리가 멀지만 이번 결과는 ‘초고온 플라즈마 압축’이라는 기존 단일한 접근 방식만으로는 풀기 어려웠던 핵융합 반응률 제고에 새로운 길을 제시했다는 점에서 주목된다.
 ● 핵폐기물 활용해 삼중수소 생산
 핵융합 발전 상용화를 위해 해결해야 할 또다른 과제는 원료 수급이다. 핵융합은 중수소와 삼중수소가 결합해 더 무거운 원자를 만들면서 막대한 에너지를 방출하는 과정이다. 중수소는 바닷물에서도 얻을 수 있을 만큼 풍부하지만 삼중수소는 자연 발생량이 극히 적다. 현재 상업적으로 삼중수소를 대량 공급할 수 있는 나라는 사실상 캐나다뿐이다. 가격은 파운드당 2000억원에 달하는 것으로 알려졌다. 이 때문에 안정적인 삼중수소 공급망 확보는 핵융합 상용화의 최대 과제로 꼽혀왔다.
 테렌스 타르노스키 미국 로스앨러모스 국립연구소(LANL) 연구원 연구팀은 고준위 핵폐기물을 활용해 삼중수소를 생산하는 기술을 17~21일(현지시간) 미국 워싱던 D.C.에서 열린 미국화학회(ACS) 추계학술대회에서 발표했다.
 원자력 발전은 플루토늄이나 우라늄 원자의 분열을 통해 에너지를 얻는다. 이 과정에서 대량의 중성자가 방출된다. 연구팀은 이 중성자를 활용해 삼중수소를 만들어내는 새로운 원자로 설계를 제시했다. 핵폐기물을 리튬 성분이 포함된 ‘용융 리튬염’으로 감싼 뒤 입자가속기로 중성자를 쏘아 삼중수소를 생성하는 방식이다. 기존에도 실험적으로 시도된 바 있지만 이번에는 최신 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 적용해 반응 효율을 극대화했다.
 시뮬레이션에 따르면 이 방식으로 연간 약 2kg의 삼중수소 생산이 가능하다. 캐나다 전체의 연간 생산량과 맞먹는 수준이다. 삼중수소 증식비(TBR)가 20 이상으로 계산돼 상업화에 필요한 최소 기준(TBR&gt;1)을 훨씬 웃돈다. 아직은 이론적 계산 단계에 머물지만 핵폐기물 문제와 삼중수소 공급난을 동시에 해결할 수 있다는 점에서 주목된다.
 타르노스키 연구원은 “설계의 기본 원리는 새롭지 않지만 기술 발전 덕분에 과거보다 훨씬 효율적으로 작동할 수 있다”며 “체계적 계산을 통해 비용 추정과 안전성 검증을 이어갈 것”이라고 밝혔다.
 [박정연 기자 hesse@donga.com]
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