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개발의 목적

핵융합로의 연구를 자극하는 주된 동기는 핵융합 에너지가 환경적으로 깨끗하다는 데 있다. 핵분열반응을 사용하는 원자력발전소에 비해 핵융합로는 오염물질이나 온실기체 또는 방사선을 거의 방출하지 않는다. 핵융합로는 또한 비교적 안전하여 핵분열 원자로에서 나타나는 멜트다운(노심용해) 같은 사고가 일어나지 않는다. 핵융합로의 제어 시스템 중 하나가 제대로 작동하지 않으면 플라스마가 냉각되어 반응이 멈추게 된다. 그리고 중수소는 바닷물 속에 풍부하게 들어 있고, 삼중수소는 실험실에서 만들 수 있기 때문에 핵융합로는 인류에게 사실상 무한한 에너지원이 될 수 있다.

원리

핵융합 에너지를 생산하는 데 최대의 걸림돌이 되고 있는 공학적 문제는 1억 ℃의 온도에서 플라스마를 만들어내고 가두는 것이다. 가장 성공적인 접근방법은 트로이드(도넛모양)의 플라스마를 자기장 속에 가두는 것으로, 자기차폐라고 부른다. 중수소와 삼중수소를 융합시키면 헬륨원자핵(α입자)과 중성자가 생긴다. 이렇게 생겨난 중성자는 주위를 둘러싸고 있는 구조물에 충돌하여 열을 발생시키며, 이 열을 재래의 방법(터빈과 같은)을 사용해 전기로 전환시킨다.

또 다른 방법은 강한 레이저를 중수소와 삼중수소로 만든 소형 냉동 펠릿에 집중하는 것이다. 펠릿은 레이저 에너지에 의해 초고밀도로 압축된다. 그 때 발생하는 고온은 핵융합반응을 일으키기에 충분하다. 이제 초고밀도의 플라스마 상태로 변한 펠릿은 초소형 폭발 속에서 타오른다. 이 방법은 관성차폐라고 부르는데, 플라스마가 오로지 자신의 관성에 의해서 차폐되기 때문이다.

역사

핵융합 연구는 1950년대에 시작되었다. 그 이후 자기차폐 핵융합로의 효율은 약 100만 배나 증가하였다. 1994년, 프린스턴대학의 토카마크 핵융합시험반응로는 1초 동안 1000만 와트의 핵융합 전력을 생산하였다. 15억W(와트)의 핵융합 에너지를 지속적으로 생산하는 것을 목표로 한 국제열핵실험반응로(International Thermonuclear Experimental Reactor/ITER)라는 국제적인 실험이 20세기 말에 계획되었으며, 여러 나라에서 핵융합의 실용적 이용을 위해 노력하고 있지만 상업적으로 핵융합 에너지를 이용하기 위해서는 상당한 연구가 더 필요한 것으로 알려져 있다.

현황

국제적으로는 미국, 일본, 유럽, 중국에서 핵융합로를 통한 플라스마 연구를 지속하고 있다. 미국과 일본은 1999년에 플라스마 온도를 1억 도로 올리는 데 성공했으며, 이후 유럽에서 유지시간 7초를 기록했고, 2018년 중국 중형 초전도 토카막(EAST)에서 10초를 기록했다.

한국

한국에서는 1995년 핵융합로의 건설을 시작하여 총 4,180억 원의 비용으로 2007년 한국형 초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 완공되었다. 이 장치는 커다란 도넛 모양으로 지름은 10m이며, 고주파가열장치, 플라스마진단장치, 두 개의 중성입자빔 가열장치, 가운데의 플라스마을 일으키는 저온진공용기 등으로 구성되었다. 한국에서 플라스마 실험은 시운전을 마친 2008년부터 시작되어 매년 2,000~3,000회 수행되었으며, 2018년 1.5초 동안 1억 도의 플라스마 유지에 성공한 데 이어, 2만 5,860회의 실험 끝에 2020년 10월 1억 도 이상의 초고온 플라스마 환경을 20초동안 유지하는데 세계 최초로 성공했다.