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미래의 에너지 생산 기술 핵융합 발전

by inmythirties 2023. 2. 18.
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1. 새로운 청정에너지 발전 기술의 필요성

이전 포스팅들에서 설명한 내용과 같이 IPCC에서는 기후변화에 대한 보고를 지속적으로 발표하고 있고, 기후위기를 막기 위해 파리기후 협정에 참여한 국가들은 탄소중립 달성을 목표로 하고 있습니다. 하지만 국제 에너지 기구의 예상에 따르면 향 후 인간의 에너지 수요는 지금보다 점차 증가할 것으로 보입니다. 즉 온실가스를 배출하지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 방식의 청정 에너지원 발전 기술이 필요합니다. 2022년 12월 미국 에너지부 장관은 순에너지 생산에 성공했다고 발표했습니다. 순에너지를 생산하는 데 사용된 기술은 핵융합 발전입니다.

2. 핵융합 발전의 소개 및 장점

핵융합 발전은 핵융합 반응 시 발생하는 에너지를 이용해 전력을 생산하는 것입니다. 우리가 가장 쉽게 볼 수 있는 핵융합 발전의 예시는 태양입니다. 태양과 같이 높은 온도와 압력에서 원자는 핵융합을 일으키게 됩니다. 원자의 핵융합 발생 시 중성자를 방출하며 가벼운 원자로 변하게 되는데 이때 감소한 질량만큼의 에너지가 함께 방출됩니다. 현재 연구 중인 핵융합 발전의 원료는 중수소와 삼중수소입니다. 성공적으로 핵융합 발전에 성공한다면 중수소와 삼중수소는 헬륨으로 바뀌며 중성자와 에너지를 방출하게 됩니다. 핵융합 발전은 기존 에너지 생산 방식과 비교하여 몇 가지 장점이 있습니다. 1) 에너지 효율, 2) 원료 매장량, 3) 안정성, 4) 환경친화성입니다. 장점에 대하여 간단히 알아보겠습니다.

1) 에너지 효율

핵융합 발전은 높은 에너지 효율을 가지고 있습니다. 핵융합 원료 수소 1g 만으로도 석유 8 ton의 에너지를 생산할 수 있습니다. 원자력 발전의 원리인 핵분열의 질량 결손율이 0.1%인데 반해 핵융합의 질량 결손율은 0.71%로 약 7배에 달합니다. E=mc^2에 따라 그만큼 더 많은 에너지를 얻을 수 있으며, 사용되는 원료의 효율성까지 고려한다면 굉장히 높은 에너지 효율을 가지고 있는 셈입니다.

2) 원료 매장량

핵융합 발전에 사용되는 에너지는 삼중수소와 중수소입니다. 중수소는 바다에서 수급이 가능하며, 삼중수소는 Li으로부터 쉽게 구할 수 있습니다. 그러므로 원료의 양에 대해서는 자유롭다고 할 수 있습니다.

3) 안정성

체르노빌, 후쿠시마의 원자력 발전소 사고 사례는 결과가 매우 참혹했습니다. 하지만 핵융합 발전은 원자력 발전소에 비해 상당한 안정성을 가지고 있습니다. 핵융합 발전의 반응로에는 소량의 수소가 필요할 때마다 공급되는 방식이므로 폭발이 일어날 정도의 에너지가 없고, 반응로 내에서 제어가 실패하더라도 자연스럽게 식어버리기 때문입니다.

4) 환경 친화성

핵융합 발전 시 발생하는 물질은 He으로 방사성 물질이 아닙니다. 때문에 원자력 발전의 폐기물로 발생하는 환경 문제가 없습니다.

3. 핵융합 발전의 사용화 가능성

핵융합 발전의 어려운 점은 고온 및 고압 조건을 어떻게 안정적으로 유지할 것인가입니다. 이때의 고온은 약 1억 도 이상입니다. 고온 및 고압 조건을 달성하기 위해서 다양한 아이디어가 있습니다. 한국은 토카막 방식의 원자로를 연구 중에 있습니다. 한국에서 운영 중인 핵융합 연구로 KSTAR는 1억 도를 20초 정도 유지하는데 성공했고 2025년 목표가 5분간 온도 유지일 정도입니다. 미국에서는 에너지부 산하 로렌스리버모어국립연구소에서 레이저빔을 통한 고온 조건 달성을 연구 중에 있습니다. 융합 에너지 이득계수(Q ratio)도 문제입니다. 고온 및 고압 조건을 유지하는데 필요한 에너지보다 발생하는 에너지의 값이 같으면 Q ratio는 1, 얻는 에너지가 더 크다면 Q ratio는 1보다 큰 값으로 표현됩니다. 핵융합 발전이 현재의 발전 방식을 대체하기 위한 최소 Q ratio는 22 이상입니다. 이러한 상황에서 미국에서는 핵융합 발전을 통해 순에너지 생산 즉 Q ratio가 1이 넘었다는 것입니다. 핵융합 발전의 상용화는 아직 먼 미래로 생각됩니다. 하지만 반드시 미래의 에너지원을 책임질 중요한 기술이 되지 않을까 생각합니다.

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