KSTAR

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KSTAR는 2007년 한국이 독자개발에 성공한 한국형핵융합연구로이다. KSTAR는 Korea Superconducting Tokamak Advanced Research의 약자이다. 대전 유성구에 위치한 핵융합연구센터(NFRC)에 위치하고 있다. 지름 10m, 높이 6m의 4,000억 원 짜리 도넛형으로 생긴 토카막(Tokamak)형 핵융합 실험로이다.[1] 2007년 현재 세계 최고의 핵융합로이다.[2]

KSTAR의 콘크리트 벽의 두께는 무려 1.5m로서, 아파트 3000가구를 지을 수 있는 시멘트가 사용되었다.

1995년에 개발에 착수하여 2007년에 개발이 완료되었다.

세계 최초로 300초 이상 고주파를 낼 수 있는 메가헤르츠(MHz) 대역의 전자기파 가열장치를 사용한다. 전자렌지와 같은 개념이다. 메가헤르츠(MHz) 대역의 전자기파를 쏴서 플라스마 이온을 공명시켜, 플라즈마의 온도를 섭씨 1억 도까지 올린다. 한국원자력연구원 곽종구 박사팀은 2007년 7월 12일 이 가열장치의 개발 성공을 발표했다.[3][4]

한국, 미국, 유럽, 러시아, 일본, 중국, 인도가 2015년까지 60억 유로를 투자해 개발키로 한 국제핵융합실험(ITER) 장치가 KSTAR와 기본개념 설계가 같다. ITER은 열출력 규모가 500MW로 핵분열식인 한국 표준원전의 6분의 1 규모다. KSTAR의 크기는 ITER의 25분의 1 정도다.[5] 한국 건국 이래 단일연구개발 예산으로는 최대 규모인 3천억 원이 투입됐다.[6]

목차

[편집] 미국의 기술 도입

KSTAR는 미국 정부가 1995년 핵융합 예산을 삭감하면서 건설을 백지화한 미국 프린스턴 대학교 플라즈마물리연구소의 차세대 핵융합로 TPX를 참고하여, 규모를 약간 줄이고 성능을 보완하는 방식으로 건설이 추진되었다. 1996년 6월 한미 핵융합연구협정이 체결되고서 한국은 TPX 설계자료 131권을 입수하였다. 미국의 언론은 미국인의 세금이 세계 다른나라들의 연구에나 도움을 주고 있다면서 비판하였다.[7]

[편집] 세계의 핵융합로

2006년에 세계 3대 핵융합로라고 불리던 미국, 유럽연합, 일본의 토카막의 수명이 다했다. 이들은 구리자석을 채용해 플라즈마 지속시간이 5∼10초에 불과했다. 반면에 2007년 8월에 준공된 KSTAR는 "차세대" 핵융합로로서, 일본 미국의 기존 구형 핵융합로 보다 30배 이상 성능이 뛰어나다. 세계 어느나라에서도 시도하지 못했던 100% 초전도 자석을 장착한 토카막으로, 3억도 이상의 플라즈마가 300초 동안 지속될 수 있다. 세계 3대 핵융합실험시설은 대부분 일반 전자석으로 제작됐다. 그러나 KSTAR의 토카막 초전도자석은 섭씨 영하 268.6도의 액체헬륨 속에서 전기 저항없이 작동하기 때문에 훨씬 강력한 자기장 속에 중수소를 보다 시간 가둬놓고 가열시켜 핵융합을 일으킬 수 있다.[8]

[편집] 원리

핵분열에 비해 수천 수만 배의 에너지를 발생하는 핵융합은 태양이 불타는 원리다. 태양은 수소, 헬륨의 핵융합 반응으로 엄청난 열과 빛의 에너지를 지속적으로 뿜어내고 있다. 태양에서는 수소 원자 4개가 합쳐져 1개의 헬륨을 만드는데, 매초 7억t의 수소가 헬륨으로 변환되고 있다. 이 과정에서 태양은 초당 4조W의 100조배에 달하는 에너지를 방출하고 있다.[9]

핵분열과 핵융합은 모두 아인슈타인의 E=mc2 상대성 원리 공식에 따른 것으로, 원자의 질량이 손실되어 사라지면서, 그에 상응하는 에너지가 발생한다는 원리를 따른다. 즉 핵분열 과정에서도, 핵융합 과정에서도 일정량의 질량손실이 발생하며, 그 물질이 사라지면서 에너지가 생긴다.

예를들면, 한국의 4곳의 핵분열 원자력 발전소는 연간 750 톤의 농축우라늄과 천연우라늄을 사용해 전기를 생산한다. 이 750 톤의 우라늄 원료가 에너지로 바뀌는 과정에서 손실되는 질량을 E=mc2공식에 넣어 계산하면 연간 5㎏에 불과하다. 5㎏의 우라늄이 사라지면서 1년간 쓰는 전기 에너지로 변환된다.[10]

핵융합 발전의 연료로는 중수소삼중수소가 이용된다. 중수소와 삼중수소를 특수전기장치를 이용해 섭씨 1억도까지 올리면 전자가 분리되고, 이온화된 다량의 원자핵과 전자가 고밀도로 몰려 있는 플라스마(plasma)상태가 된다. 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소가 서로 충돌하면 중성자헬륨이 생성된다. 이때 생성된 중성자와 헬륨의 질량의 합은 충돌 전의 중수소, 삼중수소의 질량의 합보다 작은데, 이 질량의 차이가 에너지로 변환된다.[11]

KSTAR 핵융합로의 구조는 간단히 비유해서 설명하면, 가정에서 쓰는 전자렌지와 같다. 전자렌지 안에 중수소라는 요리를 넣고, 300초 이상 마이크로파를 쏘여서 가열한다. 그러면 전자렌지 안이 3억 도의 온도까지 올라가고, 그 온도에 이르면 중수소라는 요리가 스스로 무게가 줄어들면서 그 손실된 무게에 상응하는 방대한 빛과 열 에너지를 방출하기 시작한다. 그 열 에너지를 밖으로 뽑아내어 물을 끓여서 그 수증기로 발전기 터빈을 돌려 전기를 생산해 낸다. 전자렌지가 중수소를 데우는데 소모되는 전기에너지는 1W인 반면에, 3억도의 온도가 된 중수소가 스스로 내뿜는 에너지로 생산하는 전기에너지는 1억W, 1조W가 된다. 2005년 7월 13일 한국원자력연구소 오병훈 박사는 "핵융합 발전이 상용화되려면 투입된 에너지보다 생산된 에너지가 20배 이상 많아야 하는데 현재는 같은 수준"이라고 말했다.[12]

3억 도의 온도가 되어도 전자렌지가 녹거나 폭발하지 않게 하는 기술, 그리고 중수소가 너무 갑자기 에너지를 방출하지 않고 그 발생되는 에너지를 통제할 수 있는 기술 등 여러가지 최첨단 기술이 필요하다.

중수소는 바닷물 1ℓ에서 0.03g을 얻을 수 있는데, 추출하는 비용은 10원이다. 중수소 1g은 석유 8t과 같은 에너지를 만들어낼 수 있다. 삼중수소도 지각과 바닷물에 풍부한 리튬에서 추출할 수 있으며 현재 전세계에 3,000년 이상의 사용량이 매장돼 있다.

핵분열은 희귀자원인 우라늄이 필요하여 한국은 우라늄을 전량 외국에서 수입해야만 핵분열 원자로를 가동 살 수 있는데, 핵융합은 바닷물을 걸러내어서 전자렌지로 가열해 발전하는 방식이라서 자원 부족이 있을 수 없다. 에너지 수입의존도가 97%가 넘는 한국에게는 매우 중요한 사업이다.

또한 핵분열은 인체에 해로운 방사능 문제가 있으나, 핵융합은 방사능 문제가 없다.

[편집] 핵심기술

핵융합로 개발에 필요한 핵심기술은 크게 3개 분야이다:

  • 1억도 이상의 초고온 플라스마를 생산하는 시굴
  • 1억도 이상의 초고온 플라스마를 가둬둘 수 있는 장치인 인공태양(토카막) 제작 기술
  • 핵융합을 일으킬 수 있는 연료의 개발 기술

[편집] 연혁

  • 1968년 - 소련에서 처음으로 초고온 플라스마를 100분의 1초 이상 가두는 ‘토카막’ 장치를 개발
  • 1988년 - ITER 프로젝트가 시작됨
    • 열출력 500㎿급 핵융합 발전을 목표
    • 한국, 유럽연합, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 7개국이 참여
    • 2015년 완공예정
  • 1995년 - 한국이 KSTAR 프로젝트를 시작함
  • 1997년 - 유럽연합의 JET가 17㎿의 에너지를 방출함
  • 1998년 - 일본의 JT-60U가 에너지분기점을 넘기면서 핵융합로의 상용화 가능성이 인정됨
  • 2006년 - 미국, 일본, 유럽연합의 세계 3대 핵융합로 수명이 종료됨
  • 2007년 8월 - 한국이 KSTAR를 준공함. 2007년 현재 세계 최고의 핵융합로

[편집] 참여 단체

[편집] 주석과 참고자료

  1. 인공태양 제작 현장에 가다 세계일보 2007-06-25
  2. ‘인공태양’ 지구의 마지막 에너지원 국민일보 2000-11-17
  3. 곽종구 박사팀, 핵융합로 고주파 가열장치 국산화 성공 동아일보 2007-07-13
  4. 원자력硏, '중성입자빔 가열장치' 세계 최장시간 운전 성공 뉴시스 2007-07-25
  5. 한국 핵융합 기술로 '인공 태양' 밝힌다 시사저널 2007-02-14
  6. 인공태양을 만드는 까닭은… sciencetimes 2006.12.08
  7. 국내서도 핵융합로 설계 구슬땀 한겨레 1996-11-18
  8. 국내서도 핵융합로 설계 구슬땀 한겨레 1996-11-18
  9. 태양처럼 핵융합으로 무한에너지 생산/ 지구에 '인공 태양' 만든다 한국등 6국, 발전시설 프로젝트 참여 서울신문2005-07-14
  10. 과학입국 그린 프로젝트-Let's Science 차세대 에너지 ‘핵융합’ 국민일보 2004-09-15
  11. 뉴스 인사이드 / ‘꿈의 에너지’ 개발, 지구촌을 구하라! 문화일보 2006-11-25
  12. 태양처럼 핵융합으로 무한에너지 생산/ 지구에 '인공 태양' 만든다 한국등 6국, 발전시설 프로젝트 참여 서울신문 2005-07-14

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