미국 에너지부는 13일(현지시간) 핵융합 실험을 통해 투입된 레이저의 에너지를 뛰어넘는 에너지를 생성하는 데 사상 최초로 성공했다고 발표하고 역사에 남을 성과, 즉 청정에너지의 미래 이정표(milestone for the future of clean energy)라고 말했다고 CNN이 이날 보도했다.

이른바 “진정한 에너지 이득(a net energy gain)”은 핵융합에서 깨끗하고 무한한 에너지를 얻는 것을 목표로 한 수십 년에 걸친 노력의 큰 성과다. 핵융합 반응은 2개 이상의 원자가 융합해 일어난다.

실험에서는 2.05메가줄(Mega Joule)의 에너지를 공급했고, 출력은 공급을 50% 초과하는 3.15메가중이었다. 실험에서 출력이 유의미한 에너지 이득을 얻은 것은 이번이 처음이다.

이번 실험은 캘리포니아 주 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 국립점화시설(NIF, National Ignition Facility)에서 지난 5일 진행됐다. 이 시설은 경기장 크기로 192개의 레이저를 갖췄다.

제니퍼 그랜홀름 미국 에너지부장관은 리버모어 국립연구소 및 기타 국립연구소 과학자들이 기후변화와 싸우기 위한 청정에너지 공급과 핵실험을 수반하지 않는 핵 억지력 유지 등 인류가 안고 있는 가장 복잡하고 시급한 문제를 해결하는 데 도움이 되는 일을 하고 있다고 평가했다.

킴 부딜 리버모어 국립연구소 소장은 “이 연구소에서 핵융합 점화를 실현하려는 시도에 대해 인류가 지금까지 추진한 과학 분야의 가장 중요한 과제 중 하나”라고 평가했다.

부딜은 성명에서 “이 달성은 과학 공학 그리고 무엇보다 인류의 승리”라며, “이 기준을 넘어서는 것이 60년에 걸친 헌신적인 추구를 이끌어온 비전”이라고 말했다.

* 핵융합(nuclear fusion)은 무엇이며, 그렇게 중요한 것인가?

핵융합은 태양에 동력을 공급하는 것과 같은 에너지를 복제하는 인간이 만든 과정이다. 핵융합은 두 개 이상의 원자가 하나의 더 큰 원자로 융합될 때 발생하는데, 이 과정은 열로서 엄청난 양의 에너지를 생성한다.

전 세계의 과학자들은 수십 년 동안 핵융합을 연구해 왔고, 현재의 원자로에서 발생하는 핵폐기물 없이 탄소가 없는 무한한 에너지를 제공하는 새로운 원천으로 핵융합을 재현하기를 희망해 왔다. 핵융합 프로젝트는 주로 ‘수소의 동위원소’인 ‘중수소와 삼중수소(deuterium and tritium)’ 원소를 사용한다.

삼중수소를 약간 첨가한 물 한 잔의 중수소는 1년 동안 집에 전력을 공급할 수 있다. 삼중수소는 합성할 수 있지만 얻기가 더 드물 뿐만 아니라 더욱 더 어렵다.

탄소 다이렉트의 수석 과학자이자 로렌스 리버모어 국립연구소의 수석 에너지 기술자였던 훌리오 프리드만(Julio Friedmann)은 “석탄과 달리 소량의 수소만 필요하며, 우주에서 발견되는 가장 풍부한 것”이라며 “수소는 물에서 발견되기 때문에 이 에너지를 생성하는 물질은 엄청나게 무제한이고 깨끗하다”고 말했다고 CNN이 전했다.

* 핵융합(nuclear fusion)과 핵분열(nuclear fission)이 다른 점은 ?

일반적으로 사람들이 원자력에 대해 생각할 때, 냉각탑과 버섯구름(mushroom clouds)이 떠오를 수 있다. 하지만 핵융합은 완전히 다르다.

핵융합이 두 개 이상의 원자를 함께 융합하는 반면, 핵분열은 그 반대이다. 핵분열은 더 큰 원자를 두 개 이상의 작은 원자로 나누는 과정이다. 핵분열은 오늘날 전 세계의 원자로에 동력을 공급하는 종류의 에너지이다. 핵융합과 마찬가지로, 원자가 분열하면서 발생하는 열은 에너지를 생성하는 데에도 사용된다.

미국 에너지부에 따르면, 핵은 (탄소) 제로 배출 에너지원(zero-emission energy source)이다. 그러나 그것은 안전하게 보관되어야 하는 휘발성 방사성 폐기물을 생성하고, 안전 위험을 수반한다. 원자력 용융은 드물지만, 일본의 후쿠시마 원자로와 옛 소련의 체르노빌 원자로와 같은 광범위하고 치명적인 결과를 발생시켰다.

핵융합은 핵분열과는 달리 치명적인 안전 위험을 수반하지 않으며, 핵융합에 사용되는 물질은 핵분열보다 훨씬 짧은 반감기(half-life)를 갖고 있다.

* 핵융합 발전이 어떻게 집에 불을 켤 수 있을까 ?

핵융합을 일으키는 방법은 크게 두 가지가 있지만 둘 다 같은 결과를 낳는다. 두 개의 원자를 융합하는 것은 엄청난 양의 열을 생성하는데, 이것은 에너지를 생산하는 열쇠를 쥐고 있다.

그 열은 핵분열이 에너지를 생성하는 것과 마찬가지로 물을 데우고, 증기를 생성하고, 터빈을 돌려 전력을 생성하는 데 사용될 수 있다.

핵융합 에너지를 이용하는 큰 도전은 그것이 전 세계의 전력망과 난방 시스템에 전력을 공급할 수 있도록 충분히 오래 유지하는 것이다. 이번에 미국이 성공했다는 역사적 성과는 여전히 발전소 하나를 운영하기에 충분한 에너지를 생산하는 데 필요한 규모보다 훨씬 작은 규모이다. 수십 년 안에 가정에 공급할 수 있는 핵융합발전소가 건설 될 수 있기를 기대하고 있다.

런던 임페리얼 칼리지의 관성 융합 연구 센터의 공동 책임자인 제레미 치텐덴(Jeremy Chittenden)은 “이것은 10개 주전자의 물을 끓이는 데 필요한 양에 관한 것”이라며 “발전소를 발전소로 만들기 위해서는 에너지를 더 많이 확보해야 한다”고 말했다.

* 에너지부가 발표한 융합 반응에 의해 얻는 ‘진정한 에너지 이득(a net energy gain)’이 중요한 이유는 ?

과학자들이 핵융합 반응을 성공적으로 만들어낸 것은 이번이 처음으로, 과거의 실험처럼 깨지는 대신 순수한 에너지 증가를 가져왔다.

이것이 상업적으로 실행될 수 있을 때까지 더 많은 단계들이 있지만, 과학자들이 처음에 했던 것보다 더 많은 에너지를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주는 것은 필수적이다. 그렇지 않으면, 핵융합에 의한 에너지 개발은 헛된 것이 아닐 수 없다.

프리드먼은 “에너지의 관점에서 볼 때 에너지를 투입하는 것보다 더 많이 배출하지 않으면 에너지원이 될 수 없기 때문에, 이전의 획기적인 발전은 중요했지만, 언젠가 더 큰 규모로 사용될 수 있는 에너지를 생산하는 것과는 차원이 다르다”고 말했다.

* 핵융합은 어디에서 이루어지나 ?

미국, 영국, 유럽에서 여러 핵융합 프로젝트가 진행 중이다. 프랑스는 주요 회원국인 한국, 중국, 미국, 유럽연합(EU), 러시아, 인도, 일본을 포함한 35개국이 협력하고 있는 '국제 열핵 실험 원자로(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)'의 본거지이다.

미국에서는 캘리포니아 주 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립점화시설에서 대부분의 작업이 축구장 3개 크기의 건물에서 이루어지고 있다.

국립점화시설 프로젝트는 "열핵 관성 핵융합(thermonuclear inertial fusion)"이라고 알려진 것에 의해 핵융합으로부터 에너지를 생성한다. 실제로 미국 과학자들은 수소 연료를 포함한 펠릿을 거의 200개의 레이저 배열로 발사하여 본질적으로 초당 50회의 속도로 극도로 빠르고 반복적인 폭발을 일으킨다. 중성자와 알파 입자로부터 수집된 에너지는 열로 추출된다.

영국과 프랑스의 ITER 프로젝트에서, 과학자들은 같은 결과를 내기 위해 토카막이라고 불리는 거대한 자석을 장착한 거대한 도넛 모양의 기계로 일하고 있다. 토카막(tokamak)에 연료를 넣은 후, 자석이 켜지고 내부 온도가 기하급수적으로 상승하여 플라즈마(plasma)가 생성된다.

플라즈마는 태양의 중심부보다 10배나 뜨거운 섭씨 1억 5천만 도에 도달해야 한다. 중성자는 플라즈마를 탈출하여 토카막의 벽에 있는 ‘장막’을 치며, 운동 에너지를 열로 전달한다.

* 다음 단계는 ?

과학자들과 전문가들은 이제 핵융합으로부터 훨씬 더 큰 규모의 에너지를 생산하는 방법을 알아낼 필요가 있다. 동시에, 핵융합이 상업적으로 사용될 수 있도록 궁극적으로 핵융합 비용을 줄이는 방법을 찾아내야 한다.

치텐덴은 “현재 우리가 하는 모든 실험에 엄청난 시간과 돈을 쓰고 있다”면서 “비용을 큰 폭으로 줄여야 한다”고 말하고 있다.

과학자들은 또 핵융합에 의해 생산된 에너지를 포집, 전력망에 전기로 전달할 필요가 있을 것이다. 핵융합이 무한한 양의 청정에너지를 생산할 수 있게 되기까지는 수년이 걸릴 것이며, 과학자들은 기후 변화와 싸우기 위해 시간과의 경쟁을 벌이고 있다.

프리드만은 “이것은 향후 20-30년 동안 기후 감소에 의미 있게 기여하지 못할 것”이라며 “이것이 성냥을 켜는 것과 가스 터빈을 만드는 것의 차이”라고 강조했다.