현재 한국 연구진에 의한 상온 상압 초전도체(물질명: LK-99) 발견했다는 논문으로 검증 논란이 일고 있는 가운데, 해당 내용 사실로 판명될 경우 핵융합 에너지의 상용화를 앞당기는데 결정적 기여를 하게 될 것으로 보고 있습니다.
그래서 이번 시간에는 핵융합 에너지가 무엇이고, 현재 기술이 어디까지 왔는지 알아보도록 하겠습니다.
핵융합 에너지는 무엇인가?
한마디로 태양에서 지속적으로 생성되는 에너지라고 생각하시면 됩니다. 태양은 핵융합으로 돌아가는 발전소이기 때문입니다.
핵융합 발전소는 핵융합을 통해 발생되는 열에너지로 수증기를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것을 말합니다.
만약 지구에서 핵융합 발전소를 만들어 상용화를 한다면, 태양과 같은 무한한 에너지원을 얻게 되어 사실상 전기 발전 비용이 들지 않음을 의미합니다. 이제부터 이 꿈 같은 이야기의 원리를 여러분들께 설명 드리도록 하겠습니다.
핵융합 에너지 발전
핵융합은 중 수소(2H), 삼중 수소(3H)와 같은 가벼운 원자의 핵을 높은 온도와 압력 아래에서 합치면, 헬륨(HE)과 같은 무거운 원소가 되는 과정을 말합니다. 이 과정에서 에너지를 발생하게 되는데 이 에너지를 이용한 발전을 핵융합 발전이라고 합니다.
핵융합의 에너지 발생 원리는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 의해 밝혀진 질량-에너지 등가 법칙(E=MC²)에서 나왔습니다.
한 개의 양성자와 한 개의 중성자를 가진 중 수소와 한 개의 양성자와 두 개의 중성자를 가진 삼중 수소가 충돌하면 무거운 헬륨 원자가 됩니다.
이때 만들어지는 헬륨 원자의 질량은 중 수소와 삼중 수소의 질량을 합친 것보다 약간 작기 때문에, 질량의 손실만큼 질량-에너지 등가 법칙에 의해 헬륨 원자와 함께 중성자가 나오게 됩니다.
핵융합에서 나오는 중성자가 핵융합로 벽을 때려서 열을 발생시키고, 그 열이 물을 끓여서 증기를 발생시켜 증기가 터빈(모터)을 돌리면서 전기가 생성 됩니다.
태양이 바로 핵융합으로 발생되는 열 에너지원입니다.
핵융합의 어려움
핵융합 발전소는 태양의 핵융합 에너지 발전 방식을 지구에서 구현해서 전기를 만들어 보겠다는 것입니다.
원리는 쉽지만, 핵융합이 일어나려면 원자핵을 하나로 합치려면, 두 원자핵의 전기력(서로 밀어내는 힘)을 극복하고 핵력(서로 잡아당기는 힘)이 작용할 만큼 가깝게 접근 시켜야 되기 때문에 엄청난 압력과 에너지가 필요합니다.
자석을 같은 극끼리 붙이려면 서로 밀어내는 성질 때문에 일반적으로는 붙지 않지만, 자석이 지닌 힘 이상으로 자석을 강하게 접합 시키면 순간이지만 원자의 인력으로 인해 자석을 붙일 수 있습니다.
핵융합도 원자핵들이 가지고 있는 반발력 이상의 에너지(높은 압력과 온도)를 가해주면 서로 밀어내는 힘을 이겨 내고 합쳐지게 됩니다 .
태양의 경우 중심부의 압력이 워낙 높아 1천 만도 정도에서 핵융합이 일어납니다.
지구는 태양의 중심부만큼 압력이 높은 곳이 없어서, 1억도 이상 온도를 올려줘야 핵융합이 시작 되는 것입니다.
중수소와 삼중 수소를 1억도 이상으로 가열하면, 원자핵과 전자가 분리된 기체 상태가 되는데 이것을 플라스마라고 부릅니다.
플라스마 상태가 되면 두 원자핵이 융합, 즉 핵융합이 시작되고 중성자와 함께 에너지가 나오기 시작합니다.
문제는 1억도 이상으로 가열된 플라스마를 가둬 놓고 견딜 수 있는 물질이 지구상에 없습니다.
그래서 지구상에서 핵융합을 구현할 수가 없었죠
상기 이미지는 태양 표면에서 방출되는 자기장 고리의 플라스마가 코로나 비를 만들어 태양 표면에 뿌린다. 오른쪽은 크기 비례를 맞춘 지구다.
출처 : NASA’s Solar Dynamics Observatory/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman, lead animator
우선 플라스마에 대해서 설명드리겠습니다.
플라스마는 네 가지 기본 상태 중 하나로, 고에너지의 가스 상태입니다. 플라스마는 일반적으로 이온화된 입자로 이루어져 있으며, 전기적으로 중성이 깨진 상태입니다. 이것이 플라스마의 주요 특징입니다.
플라스마의 특성과 특징은 다음과 같습니다
이온화: 플라스마는 고에너지 상태로, 원자나 분자가 전자를 잃고 이온화된 상태로 존재합니다. 이렇게 이온화된 입자는 양전하를 가지며 전기장에 의해 조작될 수 있습니다.
전기적으로 중성이 깨짐: 플라스마는 이온화된 입자로 구성되어 있어, 전기적으로 중성이 깨져 있습니다. 이것은 전자와 이온 간의 상호 작용을 통해 전기적인 힘을 생성하고 전기장을 형성하는데 중요한 역할을 합니다.
고 에너지 상태: 플라스마는 높은 에너지 상태에서 존재하며, 주로 높은 온도와 압력에서 발생합니다. 이것은 핵융합, 별의 내부, 번개, 플라즈마 텔레비전 등 다양한 환경에서 관찰됩니다.
다양한 응용 분야: 플라스마는 다양한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 핵융합 연구에서는 고온 플라즈마를 이용하여 핵융합을 달성하려고 합니다. 또한 플라즈마는 플라즈마 텔레비전, 레이저, 반도체 제조, 환경 정화, 원자로 제어, 등에도 활용됩니다.
핵융합 기술 개발 경과
1952년, 소련의 이로르탐과 안드레이 사하로프가 도넛 형상의 자기 코일 방에 플라스마를 가둬놓은 장치를 개발을 하였습니다.
이 방식의 명칭은 도넛형 용기라는 뜻인 토카막 방식으로, 내부에 거대한 코일의 자기장을 형성시키고, 강한 전류를 흘려 플라스마를 만들어 고온의 플라스마가 외벽과 접촉하지 않고 도넛 안을 끊임없이 돌면 핵융합을 일으키는 방식입니다.
좀 더 설명을 드리자면, 토카막은 자기장을 이용한 둥근 도넛 모양의 플라스마 가둠 장치입니다.
플라스마가 빠져나가지 못하도록 끝과 끝을 연결한 도넛 모양의 진공용기를 만들고 그 주변에 자기 코일을 설치하였습니다.
플라스마 입자들의 진행 방향에 수직으로 자석을 설치해 자기장을 형성하면 도넛 안에서 중구난방 날뛰던 플라스마가 질서 정연하게 자기력선 주변을 빙글빙글 돌아가며 움직여 밖으로 도망가지 못하게 됩니다.
플라스마를 진공 용기 안에 가둬야 하는 이유는, 핵융합로에 불순물이 있을 경우 그로 인해 열 손실이 발생해 핵융합 반응에 필요한 온도에 이르지 못하기 때문입니다.
토카막의 장점은 구조가 단순해 건설이 쉽고, 적은 비용으로 제작과 유지 보수를 할 수 있다는 것. 하지만 고용량의 플라스마 전류를 장시간 안정적으로 유지하고 정밀하게 제어하기 어렵다는 게 큰 단점이 있습니다.
플라스마 상태로 핵융합이 시작되면, 그때부터는 외부에서 열을 가하지 않아도 태양처럼 스스로 핵융합을 유지하는 인공 태양이 됩니다.
출처 : 영화 스파이더맨 2
1951년, 프린스턴 물리 연구소의 라이만 스피처는 도넛 모양이 아니라 꽈배기(뫼비우스형) 모양으로 배배 꼬인 플라스마 유지 장치 이론을 발표하였습니다.
꽈배기(뫼비우스형) 방식은 스텔러레이터 라고 부르며 도넛 방식의 토카막보다 오랜 시간 플라스마를 안정적으로 유지할 수 있지만, 꽈배기처럼 정교하게 휘어진 코일을 만들기 어렵고, 구조가 복잡해서 만드는 비용이 토카막 보다 훨씬 많이 듭니다.
스텔러레이터 방식 또한 자기장을 이용한 도넛 모양의 플라스마 가둠 장치라는 점에서 토카막과 같습니다. 차이점은 플라스마를 꽈배기 형태로 만든다는 것. 스텔러레이터는 코일 자체를 뫼비우스의 띠처럼 여러 번 균일하게 꼬아놓은 형태라서 플라스마가 꽈배기처럼 꼬인 자기장을 따라 흘러 바깥으로 빠져나가지 않고 균일한 플라스마를 형성합니다.
이 방식의 특징은 플라스마 전류를 장시간 안정적으로 유지하고 정밀하게 제어하는 게 가능하다는 겁니다.
반면 스텔러레이터는 구조가 꽤 복잡합니다. 그래서 건설하기가 쉽지 않고 제작 비용이 비싼다는 단점이 있습니다.
정교하게 휘어진 자기코일을 실물로 구현하기 어려워 오랜 세월 실현 불가능한 기술로 여겨져 왔으나 스텔러레이터 방식이 다시 주목받고 있는 이유는 컴퓨터 계산능력과 정밀공학이 발전한 덕분입니다..
어찌되었건 두가지 방식 모두 강력한 코일의 자기장으로 플라스마를 가두는 방식인데, 강력한 코일의 자기장을 만들고 이것을 유지하려면 저항이 없는 초 전도체가 반드시 필요합니다.
현재까지는 초 전도체는 극저온이 필요해서, 추가적인 냉각 기술로 인해 장치의 부피가 커지고, 강력한 자기장을 유지하는 과정에서 해당 물질의 전기 저항이 핵융합을 어렵게 하고 있는 상황입니다.
따라서 상온, 상압의 저항이 없는 초전도체가 나오면 이 부분이 해결되며, 핵융합 상용화에 가까워 질 수 있다는 의미입니다.
현재 논란이 되고 있는 상온 상압의 초전도체 LK-99에 대해서는 본 블로그에 설명드린 초전도체란 글을 참조하시기 바랍니다.
핵융합 비교 : 토카막 방식 VS 스텔러 레이터 방식
꽈배기 방식(스텔러레이터 방식)은 일본과 독일이 앞서가고 있습니다.
일본은 1998년, 스텔라 레이터 핵융합장치를 만들었고, 독일의 막스 플랑크 연구소는 2015년에 같은 방식의 핵융합장치를 완공해서 실험을 하기 시작하였습니다.
참고로 최근, 미국에서 핵융합을 성공한 로렌스리버모어국립연구소는 핵무기를 개발하는 용도로 만들어진 연구소입니다.
핵폭발을 시뮬레이션하는 용도였지만, 핵무기 퀄리티가 일정 수준에 오르자, 핵융합으로 개발방향을 변경 했고, 레이져 빔 192대를 동시에 쏘아서 고출력 에너지를 만들어 핵융합 반응을 일으키는 새로운 방식으로 성공을 하였습니다.
이번엔 국내, 해외 토카막과 스텔러레이터를 구분해 개발 현황에 대해 설명드리겠습니다.
토카막 연구에 앞장서고 있는 일본, 독일, 미국 등은 스텔러레이터 연구에도 가장 열심입니다. 일본은 1998년에 스텔러레이터 방식의 핵융합실험로 ‘거대 나선장치(LHD)’를 건설했고, 독일 막스플랑크 플라스마물리학연구소는 2015년 10월 ‘벤델스타인7-X(W7-X)’라는 핵융합로를 완공해 실험을 거듭하고 있습니다. 일본의 LHD는 특정 조건에서 플라스마 발생 최장 운전시간이 1시간을 넘을 정도로 성능이 뛰어납니다.
반면 토카막 방식에서는 최장 운전시간이 100초 남짓에 불과합니다. ITER를 통해 중국 연구진이 달성한 기록입니다.
(ITER : 핵융합 상용화를 위해 미국, 중국, 러시아, EU의 300명의 과학자로 이루어진 연구팀과 5천 명의 기술팀의 국제 핵융합 실험로)
현 수준에서 최대 목표는 300초. 300초 동안 핵융합 상태를 유지하면 실용화에 필요한 중요 기술적 난제를 점검할 수 있을 것이라 생각하고 있습니다.
결국 토카막은 운전시간을, 스텔러레이터는 핵융합 반응을 높이는 연구를 하고 있는 셈입니다.
핵융합 전문가들은 토카막과 스텔러레이터의 장점을 살리면 실용화가 앞당겨질 것으로 내다보고 있습니다.
세계 핵융합계가 W7-X 같은 스텔러레이터 방식에 주목하는 이유가 여기에 있습니다.
한국은 ??
토카막 방식의 핵융합 연구는 한국도 세계적 선두 그룹입니다.
1995년 개발을 시작해 2007년 8월에 완공한 ‘케이스타(KSTAR·Korea Superconducting Tokamak Advanced Research·한국형 핵융합실험로)’ 덕분입니다. KSTAR는 세계 최초로 초전도 자석만을 사용해 만든, 순수 실험용 핵융합 장치입니다.
기존의 토카막 장치는 전자석을 이용한 일반 구리로 만든 것이었습니다.
그 때문에 강력한 자기장을 만들기 위해 높은 전류를 흘릴 경우, 전자석의 전기 저항으로 엄청난 열이 발생해 장치를 오랫동안 가동할 수 없었습니다.
KSTAR 이전의 핵융합로는 20~30초 가동하고 냉각수를 흘려주며 20~30분씩 쉬어야 해 에너지 손실이 이만저만이 아니었습니다.
이 결점을 보완하기 위해 등장한 것이 전기 저항이 0인 초전도 자석을 적용한 초전도 토카막 장치입니다.
초전도란 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0K·-273℃) 가까이 냉각했을 때 전기처럼 저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상을 말합니다.
즉 초전도 자석은 전류가 통과할 때 저항이 0이어서 에너지 손실 없이 플라스마를 가두기에 딱 좋다는 의미입니다.
세계에서 6번째로 건설된 KSTAR에 세계가 주목하는 이유가 여기에 있습니다.
초전도 자석은 극저온에서만 작동하기 때문에 400가닥의 초전도 선 사이에 미세한 틈을 만들어 이 안으로 영하 268.5℃의 액체헬륨을 주입해 서서히 온도를 낮추어야 합니다. 그래서 KSTAR를 ‘세상에서 가장 뜨거운 물질을 담은 세상에서 가장 차가운 그릇’으로 표현하고 있습니다.
KSTAR는 70초간 고성능 모드(H-모드) 운전에 성공하였습니다.
이는 수소 연료 1g으로 석유 8t 분량의 에너지를 얻을 수 있는 ‘핵융합’ 기술 실용화에 필요한 중요 난관을 넘어선 것입니다.
H-모드 운전시간이 60초를 넘으면 핵융합 과정에서 발생하는 고온의 플라스마가 불안정하게 요동치는 단계를 넘어서기 때문에 실용화에 근접한 기술력을 확보할 수 있습니다.
한국형 초전도핵융합장치, 플라즈마 운전 70초 달성 | 연합뉴스
중국의 핵융합실험로 ‘이스트(EAST)’가 달성한 H-모드 운전시간은 60초. 한국이 이를 넘어서면서 한·중 간 핵융합 실험 전쟁도 치열해지고 있습니다. 70초를 운전한 만큼 실용화에 필요한 300초 달성에도 한층 가속이 붙을 것으로 예상됩니다.
참고로 300초 안에는 핵융합에 필요한 물리적 타임 스케줄이 모두 담겨 있어 300초를 버틴다는 의미는 24시간 365일 유지의 상용화 단계 직전이 되는 것을 의미합니다.
한국은 2026년까지 플라스마 300초 유지를 목표로 연구개발을 진행하고 있습니다.
다시 이어가자면 현재까지 토카막과 스텔라 레이터의 핵융합 시설 경쟁은 스텔라 레이터가 우세했었습니다.
앞서 설명드린것과 같이 토가막이 스텔라 레이터에 비해 구조가 단순해서 비용과 제작 시간이 적게 들지만, 플라스마에 흐르는 전류를 정밀하게 유지하는 게 힘들다는 단점 때문입니다.
그러나 기술발전으로 전자 제어기술이 정교해지자, 토카막의 단점을 해결할 수 있다 보니, 다시 토카막의 가성비가 관심을 받기 시작하였습니다.
토카막은 현존하는 핵융합 장치 중 가장 상용화 가능성이 높은 방식으로 재평가 되기 시작하였습니다.
핵융합 상용화를 위해 미국, 중국, 러시아, EU의 300명의 과학자로 이루어진 연구팀과 5천 명의 기술팀이 국제 핵융합 실험로(ITER)를 프랑스 남부 카다라쉬에서 토카막 방식으로 만들고 있습니다. (ITER은 기존 핵융합장치보다 10배 이상 커져 80m²에 달하는 초대형 장치임)
ITER는 핵융합이 안정적인 에너지원이 될 수 있음을 증명하는 마지막 단계로 여겨지고 있습니다.
ITER이 성공하면 핵융합은 투입되는 에너지보다 나오는 에너지가 많아지는 손익분기점을 넘어설 수가 있어, ITER 다음은 상용화라는 의미 입니다.
핵융합 발전의 필요 소재
ITER에는 매년 1,200g의 삼중수소가 필요하고, 누적으로 18,000g의 삼중수소가 필요합니다.
현재 삼중수소는 캐나다와 한국의 일부 원자로에서 만들고 있고, g당 3,500만원 정도에 판매되고 있습니다.
일본 원전 오염수에서 제거되지 않고 배출 예정인 바로 그 삼중수소가 시장에서 판매되고 있는 것입니다.
구독하시는 분들께서 궁금해 하실 수도 있어 설명드립니다.
일본 원전의 오염수에 들어있는 삼중수소는 물(H2O)와 같은 성질(H3)이라 분리가 어렵습니다.
분리가 된다 하더라도, 일본 오염수 전체에 들어있는 삼중수소 총량이 2.2g정도 입니다. 8,000만원정도 되겠네요
참고로 ITER에만도 매년 1,200g의 삼중수소가 필요한데, 2.2g, 8천만원어치의 삼중수소는 의미가 없습니다
2022년 12월 13일, 미국은 핵융합을 통해 투입되는 에너지보다 발생하는 에너지가 많아져서 손익분기점을 넘었다는 발표를 하였습니다.
미국, ‘꿈의 에너지’ 핵융합 돌파구 마련…‘순에너지’ 생성 – 이투데이
쉽게 2.1을 투입해서 2.5를 뽑는데 성공했다는 발표였습니다.
미국이 성공한 핵융합장치는 수소폭탄을 만드는 과정에서 개발된 레이져 방식인데, 일시적인 핵융합은 가능해도 계속 핵융합을 유지할 수 있을지는….
핵융합은 삼중수소가 방사능을 가지고 있기는 하지만, 반감기가 12년으로 짧아서, 30년 정도만 잘 보관하면 방사능이 더 이상 안 나오기 때문에 반감기가 45억 년에 달하는 우라늄에 비하면 관리가 수월합니다.
참고로 달에서 가져올 수 있는 헬륨3는 핵융합 과정에서 방사능이 나오지 않아 방사능 관리가 불필요합니다.
결론적으로 안전 측면에서 핵융합 발전소는 터져도 방사능 유출이 없고, 플라스마가 그냥 사라질 뿐으로 원자력 발전보다 후처리가 훨씬 용의 합니다.
이것이 스티븐 호킹이 핵융합 기술을 실현 가능한 청정 무한 에너지라고 불렀던 이유입니다.
중수소는 바닷물 1L에서 0.03g을 쉽게 얻을 수 있는데, 삼중수소는 핵분열을 통해 얻어야 하기 때문에 방사능의 위험성이 있습니다.
그렇기 때문에 삼중수소를 사용하는 기존 핵융합보다, 방사능에서 자유로운 달 표면에서 그냥 캐오면 되는 헬륨 3와 중수소를 통한 핵융합의 가치가 높은 이유입니다.
문제는 언제 상용화 할 수 있는지 입니다.
핵융합 발전의 상용화는 언제??
지금까지는 건설중인 ITER이 완공되고, 실험을 해서 에너지 손익분기점을 넘는것을 확인해야 상용화로 갈 수 있는 일정이라, 2050년은 되어야 핵융합이 인류의 주력 에너지원이 된다고 추정됩니다.
현재 미국이 순 에너지 발생에 성공하면서 상용화 일정을 10년 이상 단축한 것 같습니다. 추가로 한국이 26년까지 300초를 유지 한다면 이는 15년을 단축 할 수 있게 될 것입니다.
최근 이슈가 되는 상온 초전도체가 성공한다면 추가적으로 상용화 일정을 20년이상 더 단축할 수 있는 획기적 일입니다.
LK99가 상압 상온 초전도체로 판명 될 시 핵융합 토카막 방식에 적용하면 바로 300초 유지 할 수 있기 때문입니다. ^^
핵융합 발전을 위한 미국의 준비
미국 NASA
NASA는 달 표면에 사람이 살 수 있는 기지를 짓기 위해 3D 프린터로 건물을 올리는 아이콘이라는 민간기업에 5,720만 달러를 투자를 하였습니다.
아이콘은 미국 민간기업으로 2018년부터 3D 프린터로 주택을 지어온 회사입니다.
NASA는 2025년 인간을 달에 재착륙 시키고, 달 상주기지를 지으려는 목적으로 아이콘에 투자를 결정한 것입니다.
아이콘은 9평짜리 소형 주택의 벽체와 골조를 하루 만에 완성할 수 있습니다.
ICON사 3D 프린터 주택
달 표면에 흙을 3D 프린터에 넣어서 벽체와 골조를 뽑아낼 계획입니다.
결국 미국은 달 기지를 통해 핵융합의 삼중수소를 대신할 헬륨 3를 확보하는 게 가장 큰 목표입니다.
헬륨 3는 태양풍을 타고 우주 공간을 떠도는데, 지구에는 대기와 마찰로 타버려 거의 없지만, 달에는 수 미터가 표면에 그냥 쌓여있는 상태입니다.
참고로 헬륨 3 1톤은 석유 1,400만 톤의 에너지를 낼 수 있어, 헬륨 3 25톤이면 미국 전체가 1년을 사용할 에너지를 뽑아낼 수 있습니다.
달 표면에는 인류가 1만년을 사용할 수 있는 에너지가 쌓여 있는 것으로 생각하시면 됩니다.
앞서 설명 드린 것과 같이 헬륨 3는 핵융합 에너지를 쉽고 안전하게 얻을 수 있는 자원입니다.
2022년 11월 16일 발사한 달 탐사선 아르테미스의 목적이 단순하게 달에 가는 게 아니고, 달에 상주하며 헬륨3등 자원 채굴을 하겠다는 것입니다.
추정컨데 미국은 핵융합 개발 일정과 달 기지를 통한 헬륨 3 확보 일정을 맞춰서 진도를 나가는것 같습니다.
NASA가 진행하는 유인 달 착륙 계획인 아르테미스 계획에 일론 머스크의 우주기업 스페이스 X가 개발한 대형 우주선 스타십(Starship)이 선정되었습니다.
이로 인해 스타십은 화성에 사람과 화물을 보내겠다는 목표로 개발된 대형 우주선(총 길이: 122m) 이지만 우선 달 착륙이 먼저 진행되고 있습니다.
스타십은 상단의 50미터짜리 스타십과 하단의 70미터짜리 수퍼헤비를 결합한 2단 로켓입니다
NASA가 보유한 발사체 중 가장 강력한 SLS보다 2배 파워라, 인류 역사상 가장 강력한 발사체입니다.
스타십은 80~120명을 태우고 화성에 도착할 수 있게, 내부에 객실과 식당은 물론 영화 관람장비 등 편의시설 공간까지 넣을수 있는 크기로 만들어 졌습니다.
지구를 떠날 때는 슈퍼 헤비의 도움을 받지만, 화성에서 복귀할 때는 스타십 자력으로 이륙해서 귀환하는 왕복 여행 로켓으로 개발되었습니다.
달에 과거와 같이 자그마한 달 착륙선이 아니라, 50미터짜리 달 착륙선이 내리는 것입니다
이를 실현하기 위해 스페이스X의 도전은 계속되고 있습니다.
미국의 법 개정
스페이스X와 같은 민간 기업이 이렇게 우주선을 발사할 수 있는 것은 상업적 우주 발사 경쟁력 법 때문입니다.
우주 발사 경쟁력 법은 과거 1862년, 미국 서부 개척 시기에 홈스테드 법과 유사합니다.
홈스테드 법은 간단히 말해 먼저 달려가서 찜을 하는 사람에게 그 땅을 주는 법입니다.
주인 없는 땅에 테두리를 치고 5년간 거주하면, 160에이커(약 20만 평)까지 소유권을 인정해 줘서, 너도 나도 서부로 달려간 유인책이 되었습니다.
노예였던 흑인들까지 자기 땅을 얻을 수 있었고, 이 법에 의해 미국 총면적의 10%에 달하는 땅에 160만 명의 자영농이 생기게 만든 결과를 가져왔습니다.
미국에서 2015년 제정된 “상업적 우주발사 경쟁력 법”은 홈스테드 법의 우주 버전이라 생각하시면 이해하기 쉽습니다.
우주를 소유하지 못하지만, 우주에서 채굴한 자원은 기업이 가져갈 수 있게 하는 법으로, 민간기업에 우주광물 채취권을 부여해 준 것입니다.
이 법은 우주 자원전쟁에 스페이스X, 아마존 등 미국 기업들이 활발하게 뛰어들고 있는 배경이 되었습니다.
중국은 희토류를 미국과 무역분쟁에 무기화하려는 움직임을 보이고 있으며, 이에 대항하여 미국은 단기적으로는 그린란드의 희토류를 확보하려 하지만, 장기적으로는 우주개발에 기대를 하고 있는듯 합니다.
달 표면에 함량 높은 희토류 덩어리가 깔려 있으니, NASA를 통해 달 표면의 희토류 공급라인을 만들려고 하고 있는 것으로 보입니다.
따라서 2022년 11월 발사한 미국의 달 탐사선 아르테미스의 주요 목적이 달에 가는 게 아니라, 달에 상주하며 헬륨과 희토류 채굴을 하겠다는 것입니다.
중국 역시 달에 무인 탐사선을 계속 보내며 달 표면에서 암석 표본 채취를 계속하고 있습니다.
1979년 체결된 UN 달 조약에 ‘달의 표면이나 그 일부 또는 천연자원은 국가 또는 자연인의 소유물이 될 수 없다”라고 규정하고 있으나, 미국, 중국, EU 등 강대국들이 합의를 하지 않은 조약이라, 달의 자원은 선점하는 곳이 가져갈것으로 생각 됩니다.
2019년 8월, 미국은 기존 5군인 육군, 해군, 공군, 해병대, 해안경비대에 이어서 6번째 군인 우주군을 창설하였습니다.
미국은 달 기지 건설 준비를 하고, 우주군을 만들어 대비하는 것은 새로운 에너지 확보를 가까운 장래로 보고 있는 것으로 판단됩니다.
핵융합 발전이 가져올 미래
핵융합은 심화되는 에너지 위기에서 인류를 구할 꿈의 기술입니다.
핵융합에너지는 ‘핵융합 발전’의 최대 목표입니다.
핵융합 기술을 이용해 발전소를 지으면 물만 있어도 인류가 영원히 쓸 수 있는 에너지, 즉 전기를 생산할 수 있습니다.
핵융합은 원자력발전 효율의 4배가 넘습니다.
핵융합 전문가들은 2045년경이 되면 ‘핵융합 발전’ 기술이 완성돼 인류가 전기를 무한대로 생산하는 시대가 열릴 것으로 보고 있습니다.
핵융합과 비슷해 보이는 핵분열 반응은 무거운 방사성 원소를 쪼개어 새로운 방사성 원소로 변화시키고 이 과정에서 에너지를 얻습니다.
이 때문에 ‘사용후 핵연료’와 같은 방사성 물질을 안전하게 처리하는 방법을 함께 고민해야 합니다.
바로 원자력발전이 핵분열 기술입니다.
반면 ‘핵융합 발전’의 연료는 중수소(중성자 1개, 양성자 1개)와 삼중수소(중성자 2개, 양성자 1개)입니다.
이 둘을 초고온으로 가열하면 서로 충돌해 헬륨(중성자 2개, 양성자 2개) 하나와 중성자 하나를 만들어냅니다.
다행히 중수소는 바닷물 속에 풍부하게 있습니다.
바닷물 1L로 석유 300L의 에너지를 만들 수 있다는 것이 과학자들의 계산입니다.
삼중수소는 리튬의 동위원소에 중성자를 충돌시킴으로써 만들 수 있습니다.
과학자들은 삼중수소 300g과 중수소 200g만으로 고리 원자력발전소 1호기가 4일 동안 생산할 수 있는 전기 200만㎾를 얻을 수 있다고 추정합니다.
인류가 핵융합 발전 기술만 완성하면 에너지 걱정에서 해방될 수 있다는 얘기입니다.
발전의 원료를 바닷물에서 쉽게 구할 수 있어 온실가스도 거의 발생하지 않고 석유고갈과 지구온난화도 동시에 해결할 수 있습니다.
성공하기가 어려워서 그렇지, 일단 한번 제대로 불을 붙이기만 하면 인류의 에너지 걱정은 크게 줄어들 수 있는 셈입니다.
이번 시간에는 핵융합에 대해서 설명해 드렸습니다. 앞으로 더 많은 유용한 정보들을 제공할수 있도록 노력하겠습니다.
감사합니다.