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iterKOREA 한국사업단

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핵융합에너지

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핵융합이란

태양에너지의 비밀은 핵융합

태양과 같이 스스로 빛을 내는 별들은 핵융합반응을 통해 에너지를 발생한다. 별들의 중심은 1억도 이상의 초고온 플라즈마 상태인데, 이러한 상태에서는 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 일어난다.

플라즈마 : 고체, 액체, 기체 상태가 아닌 제4의 물질상태로 원자핵과 전자가 분리된 자유로운 형태로, 태양을 비롯한 우주의 99% 이상은 플라즈마 상태. 번개나 오로라, 형광등, 네온사인도 플라즈마에 해당한다.

이 융합 과정에서 나타나는 질량 감소가 엄청난 양의 에너지로 방출되는데, 이를 ‘핵융합에너지’라고 한다(이는 아인슈타인의 특수상대성 이론 E=mc²를 바탕으로 하며, 이와 대조적으로 핵분열반응을 이용한 것이 원자력발전이다)

핵융합에너지 발생원리원자력에너지발생원리

하지만 지구는 태양처럼 핵융합반응이 일어날 수 있는 초고온 · 고압 상태의 환경이 아니기 때문에, 자기장이나 레이저를 이용해 태양과 같은 환경을 인공적으로 조성하는 ‘핵융합로’를 만들어야 한다.

지구에서 핵융합에너지를 얻으려면

핵융합에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치와 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다. 수억 도의 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있다.
핵융합장치는 이 같은 초고온의 플라즈마를 진공용기 속에 넣고, 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두어 핵융합반응이 일어나도록 하는 원리를 갖고 있다. 이 때문에 핵융합장치 벽면에 직접 닿는 부분의 온도는 수천 도에 불과하다. 핵융합장치는 이처럼 태양에서와 같은 원리로 에너지를 만들어 낸다고 해 ‘인공태양’이라 불리기도 한다.

핵융합에너지 발생에 필요한 세가지조건

  • 1억도의 플라즈마가 필요하다.(환경)

    지상에서 태양 내부와 같은 핵융합 반응을 만들기 위해서는 서로 반발하는 원자핵들이 반발력을 상실하고 융합할 수 있도록 플라즈마를 1억도 이상으로 가열해야 한다.

  • 1억도의 플라즈마를 담을 그릇(용기)이 필요하다.(핵융합 장치)

    가열된 플라즈마를 안정적으로 담을 용기는 지구상에 존재하지 않는다. 그래서 플라즈마가 자기력선에 감기는 속성을 이용하여 자기력선 그물망을 만들어 플라즈마를 가둔다. 즉 자기력선 그물망을 형성하는 용기를 만들어 플라즈마를 가두는 것이다.

  • 바닷물이 필요하다.(연료)

    핵융합 반응이 가장 일어나기 쉬운 조합은 ‘중수소’와 ‘삼중수소’의 결합이다. 핵융합 발전의 원료인 이 두 가지는 바닷물에서 거의 무한하게 산출이 가능하다.

핵융합가장 진보한 핵융합 장치는 토카막

몇 가지 ‘인공태양’ 방법 중에 국제적인 노력으로 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어한다. 토카막은 러시아말인 ‘toroiidalonaya kamera(chamber) magnitnykh(magnet) katushkah(coil)’의 첫 자를 따서 만든 합성어로, 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후 세계적으로 우수성을 인정받아, 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

토카막의 원리

핵융합 발전원리

핵융합발전로 안에서 일어나는 초고온 플라즈마의 핵융합반응을 통해 생성된 중성자의 열에너지가 증기를 발생시키고, 그 증기가 터빈발전기를 돌려 전기를 생산한다.

  1. ① 고진공용기 안에 중수소와 삼중수소를 주입하고 플라즈마 상태로 가열한다.
  2. ② 토카막의 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둔다.
  3. ③ 플라즈마를 약 1억도 이상으로 가열해 핵융합반응을 일으킨다.
  4. ④ 핵융합 반응 시 일어나는 질량결손에 의한 핵융합에너지가 중성자 운동에너지로 나타난다.
  5. ⑤ 중성자 운동에너지가 열에너지로 변환돼 증기를 가열, 터빈 돌려 대용량의 전기를 생산한다.

핵융합발전소의 구조