국가핵융합연구소

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 발생원리

중수소, 중성자(14.1MeV), 삼중수소, 헬륨(3.5MeV)

원자력에너지 발생원리

우라늄²³⁵원자핵, 중성

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.

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.

• 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.

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.

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

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

핵융합발전소의 구조

연료공급장치, 플라즈마 가열장치, 고자기장(초고온 플라즈마), 초전도 자석, 진공용기/블랑켓, 고온수/냉각수(중성자 열발생), 증기발생기, 터빈발전기

전 세계적으로 생존을 위한 ‘에너지 전쟁’이 갈수록 치열해지고 있다. 전 세계 에너지의 수요는 중국, 인도, 브라질 등 거대 국가들의 경제 성장에 따라 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 이에 따라 각 국가들은 안정적인 석유와 천연가스 확보에 총력을 기울이는 한편 화석연료를 대체할 새로운 에너지개발에 적극 나서고 있다. 에너지 수입의존도가 97%에 이르는 우리나라는 석유소비 세계 7위, 석유 정제능력 세계 5위, 전력소비 세계 12위의 세계 10대 에너지소비국이다. 더욱이 원자력에 의한 전력 의존성이 높으며, 전력 생산에 화석연료가 대부분을 차지하고 있다.

에너지수입액만 연간 600억~700억 달러에 이르고 이산화탄소 배출량도 세계 9위를 기록하고 있을 만큼 차세대에너지 개발이 절실한 상황이다. 이와 더불어 화석연료의 가격이 해가 갈수록 급등하고 있어 우리나라는 에너지비용 절감차원에서 국내 기술에 의한 안정적인 에너지원 확보가 필수다.

2007년

석유(43.4), 석탄(25.3),원자력(14.9), LNG(13.8), 신재생/기타(2.5)

2030년

석유(33.0), 원자력(27.8), 석탄(15.7), LNG(12.0), 신재생/기타(11.5)

특히 전문가들은 온실가스 저감 기술의 한계에 따라 2050년대에는 새로운 에너지원의 확보가 필요하다고 보고 있음에 따라, 국제적 온실가수 정책 수립에 따라 변화되고 있는 세계 경제 패러다임에 대응하기 위하여 기후변화 대책에 궁극적인 솔루션으로 혁신에너지원의 상용화를 위한 노력이 필요로 되고 있다.

지난 100년간 연평균기온 변화-출처 : 기상청 기후연구실 (’04)

0.6°C 상승, 1.5°C 상승(세계2배)

연평균 기온상승에 따른 예상피해 - 출처 : 영국 스턴 보고서 (’06)

• 2°C 상승 - 전세계 생물 중 15~40% 멸종
• 3°C 상승 - 2억명이 생활터전 상실
• 4°C 상승 - 10~40억명이 물부족 고통

에너지 매장량 및 사용가능기간 - 출처 : 한국원자력문화재단 (’03)

석유 40년, 천연가스 60년, 석탄 230년, 핵융합 1,500만년

미래에너지원으로서의 조건으로는 자원량이 풍부하고, 어디서나 획득 가능하며, 저환경 파괴 및 저 폐기물량을 배출하는 친 환경적인 녹색에너지원이어야 한다. 또한 합리적인 에너지 가격으로 충분한 에너지를 안정적으로 공급해 줄 수 있는 대용량 에너지원이 필요하다. 핵융합에너지는 이러한 21세기 에너지원이 가져야할 주요 요건을 모두 충족시키는 최적의 대체에너지로 에너지 부족 문제와 지구 온난화 문제를 함께 해결 할 수 있는 차세대 에너지원이다.

무한에너지

바닷물 등에서 무한하게 연료를 얻을 수 있습니다.

청정에너지

온실가스를 전혀 배출하지 않습니다.

고효율에너지

바닷물 1리터에 포함된 0.03그램의 중수소만으로도 서울과 부산을 3번 왕복할 수 있습니다.

안전에너지

돌발사고 시에도 구조적으로 폭발 등의 위험이 전혀 없습니다.

평화에너지

핵융합에너지 원료가 풍부해서 에너지 확보를 위한 국가간 분쟁 염려가 없습니다.

• 핵융합에너지는 화석연료와 달리 이산화탄소 발생이 없어, 지구온난화를 야기하는 온실가스를 배출하지 않는다. 따라서 기후변화로 인한 사막화나 우리나라의 국지성 호우 등 대형 기상이변이 없는 청정한 환경을 만들 수 있다.
• 핵융합 발전소는 수소와 삼중수소의 혼합가스가 연료로 공급되어 연료 공급이 중단되면 1~2초 내에 바로 운전이 자동 정지되므로 안전성도 매우 높으며, 폭발이나 방사능 누출 등의 위험이 전혀 없다.
• 핵융합에너지는 지구 표면과 바다 속에 있는 중수소, 리튬(핵융합로 내에서 삼중수소로 핵변환)를 원료로 하여 앞으로 1500만년 이상 사용 가능한 매장량이 있다. 특히, 3면이 바다이고 삼중수소 추출 기술이 뛰어난 우리나라에게 매우 유리한 에너지이다.
• 중수소는 바닷물 1리터당 0.03그램이 존재하며 이 양만 가지고도 서울, 부산 간을 세 번 정도 왕복할 수 있는 300리터의 휘발유와 동일한 에너지를 낼 수 있다. 욕조 절반 분량의 바닷물과 노트북 배터리에 들어가는 리튬의 양으로도 1사람이 30년간 사용할 수 있는 전기의 생산이 가능하다.
• 핵융합 에너지의 원료인 중수소와 리튬(삼중수소 추출 가능)는 국가 간 지역 편중 및 에너지 확보를 위한 국제적 분쟁이 없으며, 핵융합 기술은 군사적으로 사용될 가능성이 없다.

• 세계는 지금 환경문제와 에너지위기를 극복하고, 차세대 에너지 주도권을 확보하기 위해 적극적으로 핵융합에너지 개발에 적극적으로 나서고 있다. 미국, 일본, EU 등 선진국뿐만 아니라 중국, 인도 까지도 본격적인 핵융합에너지 개발 경쟁에 참여하여 수소경제시대를 준비하고 있다.
• 핵융합에너지는 지난 40여 년 동안 많은 선진국에서 경제적 활용 가능성을 검증해왔다. 특히 1990년대에는 컴퓨터 기술의 발달과 소재 공학의 발달로 핵융합에너지 상용화의 가능성을 확인하게 되었다.
• 지난 1997년 EU의 대형 토카막 JET에서 세계 최초로 16MW의 핵융합에너지 방출에 성공하고, 98년에는 일본의 JT-60U에서 투입대비 출력에너지가 같은 에너지 분기점(Q=1)을 넘어서 토카막 방식의 가능성을 보여줬다. (Q=1 : 에너지 투입량과 산출량이 같은 시점)
• 또한, 우리나라를 포함하여 EU, 일본, 미국은 향후 35년 이내에 핵융합에너지 상용화를 위한 "핵융합에너지개발가속화계획(Fast Track)"계획을 수립하여 21세기 중반 상용 핵융합 발전소 개발을 위해 경쟁과 협력을 하고 있다.
• ‘Fast Track'은 온실가스를 배출하지 않는 대용량 대체에너지 개발이 시급해지고 핵융합에너지 관련 과학기술들이 급속히 발전함에 따라 2001년 11월 유럽연합에서 처음 제안되었다. 이 계획은 기존에 예상했던 50년의 개발 계획 중 중간단계인 DEMO와 PROTO 개발을 한 세대로 묶어 핵융합 재료 물질 개발과 함께 핵융합 발전소 상업화로의 역량을 집중함으로써 개발 기간을 20년 이상 단축시켜 핵융합발전소를 상용화하겠다는 계획이다.

KSTAR는

• 국제 핵융합 공동 연구 시설로 세계 핵융합 연구의 허브입니다.
• 핵융합 연구 및 핵융합로 건설을 위한 전문 인력을 양성합니다.
• 핵융합로 개발 및 건설을 위한 국내 산업체 기반을 확대합니다.
• 한국형 핵융합 발전소 건설에 필요한 원천기술을 개발합니다.

차세대초전도핵융합연구장치 KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 핵융합 원천기술을 확보하고, 21세기 핵융합에너지 상용화를 선도하기 위해 국내 기술로 개발 · 제작된 세계 최고 수준의 핵융합 장치이다 우리나라가 에너지 강국으로 발전할 수 있도록 핵융합에너지 시대를 준바하고 있는 KSTAR는 2007년 9월 건설 완공되어 종합 시운전을 거쳐 2008년 7월 최초 플라즈마 발생을 선언하고 본격적인 운영단계에 들어섰다. KSTAR는 국제핵융합실험로 ITER의 약 25분의 1 규모로, ITER 완공 때까지 ITER 건설 및 운영에 필요한 기초실험 기술 자료를 상호보완적으로 제공하며, 한국형 핵융합실증로 건설에 필요한 독자적 연구를 수행하게 된다.

• 주장치 규모
  • 직경 : 9.4m
  • 높이 : 9.6m
  • 무게 : 1,000 ton
• 특징
  • 세계 최초의 Nb3Sn 초전도 자석 핵융합 연구 장치
• 최종 목표 성능
  • 자기장 세기 : 3.5테슬러
  • 플라즈마 전류 : 2.0MA급
  • 플라즈마 지속시간 : 300초
  • 플라즈마 온도 : 3억도

‘95.12 ~ ’07. 08(11년 8개월)

• 1 단계 (’95. 12 ~ ’98. 09) : 개념설계 및 기반기술 R&D 수행
• 2 단계 (’98. 09 ~ ’02. 06) : 장치개발 인프라 구축 및 공학설계
• 3 단계 (’02. 06 ~ ’07. 08) : 장치 제작ㆍ설치 및 조립완료
• KSTAR 완공식 ('07. 09. 14) : 핵융합연구장치 건설기술 확보 선언

• 1 단계 (2008 ~ 2012) : 초전도 토카막 기본 운전기술 확보
  • 초전도 토카막 운전기술 확보(3.5T 급)
  • 최초 플라즈마 및 대전류 플라즈마 제어(2MA 급)
  • 플라즈마 형상제어 및 가열(D형, H-모드, DD핵융합)
• 2 단계 (2013 ~ 2017) : 시간 플라즈마 운전기술 개발
  • 장시간 운전 및 ITER 선행장치 역할 달성(300초)
  • 플라즈마 가열 및 비유도성 전류유도
  • H-모드 및 AT-모드에 따른 불안정성 제거
• 3 단계 (2018 ~ 2022) : 고성능, 고효율 장시간 운전기술 개발
  • ITER 이후 DEMO용 고성능 시나리오 연구
  • 고출력, 저자기장 조건에서 고성능 AT 모드 구현
  • 초전도 토카막을 활용한 극한운전 기술(3억도)
• 4 단계 (2023 ~ 2025) : DEMO 선행기술 연구
  • 고출력 AT-모드 장시간 운전 달성
  • DEMO 관련 선행기술 시험
  • 핵융합로 재료시험

ITER을 통해

• 핵융합 상용화를 위한 원천기술과 고급 전문 인력을 확보합니다.
• 선진국이 보유한 핵융합 기술 공유로 기술격차를 감소합니다.
• ITER 조달품목 제작 · 공급으로 국내 산업의 첨단화를 이룹니다.
• 세계적인 과학기술 강국으로의 위상을 높입니다.

라틴어로 '길'을 뜻하는 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)는 핵융합에너지 상용화의 최종 과학적 · 기술적 실증을 위하여 우리나라를 비롯하여 EU, 일본, 러시아, 미국, 중국, 인도 등 7개국이 공동으로 국제핵융합실험로(ITER)를 건설하고 운영하는 국제협력 프로젝트 이다. ITER사업은 지난 40년간 세계 핵융합실험 장치들이 이루어 낸 실험결과들을 종합해 핵융합에너지 상용화를 공학적으로 점검하는 것으로 이후 실증로를 거쳐 상용화 발전에 돌입하게 된다. 세계 인구의 절반 이상이 참여하고 있는 ITER 국제공동개발 사업은 핵융합에너지 개발을 위한 인류 공동의 노력으로, 세계가 인정하는 핵융합에너지 기술 강국으로 성장한 우리나라는 ITER 참여를 통해 에너지 강국으로 도약하게 될 것이다.

• 열출력 500메가와트, 에너지 증폭률(Q) 10 이상인 국제핵융합 실험로(ITER) 공동 건설 및 운영
• 참여국 : 대한민국, EU, 미국, 일본, 러시아, 중국, 인도 등 7개국
• 사업기간 및 단계별 사업비

  사업기간 및 단계별 사업비

  건설단계	4,584.7 kIUA	2007 ~ 2019(12년)
  운영단계	매년 188 kIUA	2019 ~ 2037(18년)
  감쇄단계	281 M??	2037 ~ 2042(5년)
  해체단계	530 M??	2042년 이후

  ※ kIUA : kilo ITER Unit of Accounts(ITER 화폐단위), 1kIUA = 1.552 백만 유로(2010년 기준)
• 건설부지 : 프랑스 카다라쉬
• 건설방식
  • 각 참여국에 할당된 조달품목을 제작·납품 후 현장에서 조립하여 완성
  • 참여국의 전문인력을 ITER에 파견하여 건설 수행
• 재원조달 방식 : 유치국(EU) 45.46%, 여타 6개 참여국 각 9.09%

1. TF 초전도 도체 (TF Conductor)

43.39kIUA

2. 진공용기 본체 (Vacuum Vessel Main Body)

26.20kIUA

3. 진공용기 포트 (Vacuum Vessel Port)

57.86kIUA

4. 블랑켓 차폐블럭 (Blanket Shield Block)

28.90kIUA

5. 조립장비류 (Assembly Tooling)

23.01kIUA

6. 열차폐체 (Thermal Shield)

26.88kIUA

7. 삼중수소 저장 및 공급시스템 (Tritium SDS)

12.70kIUA

8. 전원공급장치 (AC/DC Converters)

46.96kIUA

9. 진단장치 (Diagnostics)

4.88kIUA

국가핵융합연구소는 나노기술, 정보기술, 환경/신재생에너지 기술 분야 등 산업체 전반에서 활용되고 있는 플라즈마 응용기술의 산업화 촉진을 통해 신산업 창출과 국내 산업의 고부가가치화에 기여하고 있다. 플라즈마 응용 연구는 연구 중심의 개발을 벗어나 산업체에서 광범위하게 사용되는 응용플라즈마의 원천기술을 개발하고 다양한 플라즈마 응용기술 분야를 개척하여 국가 기반 사업의 경쟁력을 강화하는 것을 목표로 한다.

극고진공에서 대기압까지 응용분야에 맞춰 다양한 플라즈마 발생 기술이 존재하며 반도체부터 항공우주 산업 분야까지 응용분야가 매우 넓다. 최첨단 우주 추진체 등 미래 신기술의 발전을 선도할 뿐 아니라, 플라즈마 발생에 따른 폐기물이 거의 없기 때문에 온실가스, 공해 오염가스 등을 정화 하는데 사용되며 수소에너지, 태양전지, 고도 정수 시설 등 미래 환경 분야의 중추 기술로 꼽힌다.

• 플라즈마 공동연구시설 설치 · 운영 사업
  • 국가적 공동연구 장치인 기존의 한빛 장치를 MP2(Multi-Purpose for Plasma) 시설로 개조하여 핵융합기술, 우주기술, 천체 과학 등의 응용 연구를 목적으로 하며, 이용자 프로그램을 통한 MP2 시설 운영의 활성화를 위해 노력하고 있다.
• 중성입자빔 소스 및 응용 개발
  • 중성입자빔을 이용한 반도체 제조 공정은 전하(전자, 이온)에 의한 식각 결함이나 박막 손상이 없어 60나노 이하의 나노 공정에 유리하며, 기판을 가열할 필요 없이 상온 공정이 가능하여 유리, 플라스틱, 얇은 금속막 등 다양한 기판 선택이 가능하다는 장점이 있다.
  • 주요 응용분야는 반도체 식각 및 리소, 박막증착, 화합물 발도체 제조 및 응용, 탄소계 물질 제조 및 응용, 바이오 분야 응용, 태양 전지 제조 장비, 차세대디스플레이(OLED, Flexcible 등) 제조 장비 등에 활용된다.
• 대기압 플라즈마를 이용한 산업기술 개발
  • 고가의 진공장비를 필요로 하는 기존의 반도체, LCD 공정 장비와 달리 대기압 상태에서 공정이 가능하게 하여 초기 투자 비용을 절감할 수 있으며, 단위 시간당 생산량을 늘릴 수 있다.
  • 대기압 플라즈마 응용 기술은 TFT-LCD용 (Dry Etcher, Pre-Etcher, Soft Asher, PR Stripper) 장비개발과 반도체 PR Stripper 공정장비 개발, 반도체 후공정용 세정 장치, 고효율 오존 발생 장치 등 활용 분야가 매우 다양하다.
  • 기술이전실적
    대기압 플라즈마를 이용한 장비 관련 기술 : (주)셈테크놀로지 (2007. 12. 31)
• 플라즈마 물성 DB 구축 사업
  • 플라즈마물성데이터란 플라즈마 내에서 일어나는 입자들의 충돌에 따른 데이터로 플라즈마의 이해를 위한 필수 요소이자, 반도체 장비 설계 및 제작 등 반도체 및 디스플레이 산업의 핵심 정보에 해당한다.
  • 핵융합 플라즈마와 산업체에 응용되는 플라즈마의 기본적이면서 필수적인 물성데이터 연구를 통해 플라즈마 물성 정보의 국가 자원화와 설계 및 운전/제어 기술의 인프라를 제공하는 등 산업체 지원체제의 기반을 구축한다. 또한 해외의 고가 정보이용료 때문에 플라즈마물성 정보를 이용할 수 없었던 국내 반도체 관련 중소기업체에 플라즈마물성 참조표준을 제공하여 국제 경쟁력 강화에 기여한다.
  • 기술이전실적
    플라즈마 화학 DB 소프트웨어 : (주)휴먼테크, (주) 경원테크 (2007.12.26)
• 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 브라운가스(수소와 산소 혼합가스) 발생장치 개발
  • 전자렌지에 사용하는 마이크로파를 이용하여 물 플라즈마의 전자를 이용하여 물 직접 분해 방법으로 브라운 가스를 발생한다. 이는 전극을 사용하지 않고 열화학적인 방법이 아니라 발생된 전자에 의한 직접 분해 방식으로 물리적 방법으로 브라운가스/ 수소를 발생 시키므로 매우 효율이 높다. (>80%)