MAGAZINE > 별책부록

별책부록

2009년 1월호

[대한민국 2030] 핵융합 시장에서 한국의 위상

핵융합에너지 해외 수출로 매년 8000억 달러 소득 가능

申載仁

申載仁 한국핵융합협의회장
⊙ 1942년 광주 출생.
⊙ 광주제일高·서울大 원자력공학과 졸업. 美 MIT大 핵공학 박사.
⊙ MIT大 핵공학과 연구원, 한국전력기술 원자력사업단장, 한국원자력연구소 소장.
⊙ 저서: <빈 마음으로 보는 새로운 세상>.

: 한국 최초의 핵융합로 K-STAR의 진공용기 내부에서 플라스마의 변화를 감지하는 케이블형 ‘자기진단장치’를 설치하는 연구원들.

2030년 10월 25일 오전 11시25분30초, 내 눈은 박쥐처럼 충혈됐다. 내 책상 전면 중앙에 위치한 거대한 디지털 시계의 움직임을 확실하게 볼 수 있었다. 시계의 모든 숫자판이 0으로 집결됐다. 이 순간 내 몸의 모든 진액은 외부로 방출됐고 의식도 하얗게 변색됐다.

드디어 우리가 세계에 공언한 것처럼 최대 출력 1GW의 핵융합발전소 ‘K-STAR-P’의 100일 無停止(무정지) 연속발전에 성공한 것이다. 이 시간 발전소 내부 운전실에서는 환호성보다는 흐느낌이 더 컸을 것이다. 전 세계는 우리가 이 거대한 도전을 성공적으로 수행할 것이라고 전혀 예상치 못했기 때문이다.

핵융합 연구 경력이 불과 45년 정도인 대한민국 과학기술자들을 선진국 과학자들이 얼마나 깔보았는지 모른다. 예상처럼 20초 후에 한 무리의 발자국 소리가 내 방문 앞에서 멈췄다. 그리고 허락도 없이 문이 활짝 열리면서 흥분된 얼굴들이 쏟아져 들어왔다. 우리는 불가능을 넘어선 것이다.

1970년대에 전 세계 과학자들이 21세기 초반 깨끗한 핵융합에너지로 전기와 수소를 만들어 사람들이 필요한 에너지를 공급하겠다는 약속을 공개적으로 천명했다. 그러나 핵융합에너지 상용화는 쉽지 않았다.

2003년 1월 영국 의회의 핵융합에너지 보고서를 보면, 핵융합반응을 안전하게 오랜 시간 동안 유지하는 것도 쉽지 않았으며, 고온의 핵융합에너지를 그릇에 담아 경제적인 전기나 수소를 만드는 과정은 재료문제로 더욱 험난했다. 많은 사람들은 핵융합에너지를 경제적으로 활용하는 일은 21세기에는 불가능한 것으로 생각했다.

이런 杞憂(기우)를 한여름 소낙비처럼 시원하게 깨뜨린 것은 한국의 별 ‘K-STAR’의 성공적 운영이었다. K-STAR는 2007년 9월에 건설을 완료하고 운전에 돌입하여 2008년 6월에 첫 플라스마를 발생시켰다. 우선 K-STAR는 超(초)전도, 고진공, 고온 핵융합로이기 때문에 세계 최초로 연속 핵융합반응을 만들고 에너지를 이용할 수 있는 최첨단 구조를 갖고 있었다.

◈ 한국의 별, K-STAR

2007년 1월11일 대전 대덕연구단지 핵융합연구센터에서 열린 초전도 핵융합연구장치인 K-STAR 저온용기 덮개를 장착하는 상량식이 열렸다.

K-STAR 건설에는 많은 극한기술들이 동원됐다. K-STAR는 다른 외국의 핵융합 실험로처럼 잦은 고장이나 문제점들을 유발하지 않았다. K-STAR는 건설 후 바로 운전이 성공적으로 이루어졌기 때문에 높은 이용률로 경제성을 보장해야 하는 발전로로서의 면모까지 보여줘 선진국들로부터 찬사를 받았다. 이 성과는 상당 부분을 우리 산업체의 높은 기술력에 돌려야 한다.

K-STAR의 건설은 일종의 모험심에서 출발했다. 1995년 7월 23일 訪美(방미) 중이던 金泳三(김영삼) 대통령이 샌프란시스코에서 “대한민국도 핵융합 연구에 공식 착수한다”고 선언했을 때 세계는 주목하지 않았다. 국내에서도 무모한 결정이라고 반대가 많았다.

그러나 K-STAR가 건설되는 12년 동안 대한민국의 과학기술 능력은 기적적으로 급상승했다. 2008년 스위스 국제경영개발원(IMD)이 평가한 대한민국의 과학능력은 세계 5위였고, 기술능력은 세계 14위였다. 여기에 과학기술자들의 헌신적인 노력과 정부의 지원이 K-STAR의 성공적 건설을 보장했다. 이제 K-STAR는 새로운 꿈의 에너지 핵융합에너지를 실증시키는 세계 최고의 ‘보물’ 과학장비가 됐다. K-STAR는 순수한 대한민국의 과학기술자들과 산업일꾼들이 합심하여 만든 세계 과학사의 혁명적 장치가 된 것이다.

K-STAR는 실제 발전로보다 훨씬 작기 때문에 여러 실험을 손쉽게 적은 비용으로 여러 번 수행할 수 있다. 이 때문에 많은 나라의 과학자들이 K-STAR를 이용한 공동연구를 요청했다. K-STAR의 주 임무는 장시간 핵융합반응을 지속시키는 기술을 개발해 핵융합발전기술의 우위를 선점하는 것이었다.

핵융합반응은 매우 까다로운 조건, 즉 균일하고 강한 磁場(자장), 2억도 이상의 고온, 우주와 같은 진공상태에서만 가능하기 때문에 초정밀 제어장치에 의해서만 장시간 운전이 가능하다. 2010년 KSATR의 첫해 연속 운전실적은 단지 몇 초에 불과했다. 이 정도의 성과도 세계적 기록이었다. 냉소적인 외국 과학자들은 이 실적이 K-STAR의 한계로 생각했다.

그러나 우리에게는 원자력발전소 건설 기술자립을 통해 최고의 IT전문가와 계측제어기술 전문가, 플랜트 엔지니어링 전문가, 물리학자들이 모여 있었다. 이들은 2020년에 불과 6분이었던 연속운전 실적을 2018년에는 24시간으로 연장했고, 2025년에는 30일 안정적인 연속운전을 실현시키는 기적을 만들었다.

새로운 에너지를 창조하는 이 작업은 세계적으로 처음 시도하는 일이었기 때문에 선진국들의 기술적 지원을 받는 것은 불가능했다. 특히 핵심 핵융합발전기술은 각국이 최상급의 기술로 비밀을 유지하고 있어 국제 상호 협력도 불가능했다.

한국은 성공적으로 건설 운영되던 K-STAR에서 핵융합발전로의 엔지니어링 설계요소들을 어느 나라보다 먼저 얻을 수 있었고, 그 결과들을 세계 최초의 핵융합발전소 ‘K-STAR-P’ 설계와 엔지니어링에 적용했다.

◈ 국제핵융합실험로 ITER

그러나 엄밀하게 따지면 모든 일들을 우리가 단독으로 연구 개발해서 세계 최초의 핵융합발전소 ‘K-STAR-P’를 건설한 것은 아니다. K-STAR를 통해 습득한 많은 기술과 이론들은 한국을 비롯해 유럽연합(EU)·러시아·일본·미국·중국·인도 등 7개국이 모여 프랑스에서 2007년부터 본격적으로 건설이 시작되어 2018년에 완공된 거대한 국제핵융합실험로(ITER)에서 실증돼 발전소 설계기술로 채택됐다.

ITER는 핵융합발전소 설계와 건설을 위한 실험로로 건설됐다. 따라서 크기(K-STAR 부피의 25배)와 출력(열출력 500MW)도 소형 원자력발전소 규모와 비슷하게 설계, 건설됐다. 건설비는 50억 유로가 소요됐고, 절반은 건설 당사국인 유럽연합이, 나머지는 그 외의 회원국들이 부담했다.

대한민국의 ITER 회원가입은 순탄하지 않았다. 2003년 우리가 ITER에 가입하기 전에 중국이 먼저 추가회원국으로 가입했다. 우리는 당시 건설하고 있었던 K-STAR의 건설현황을 ITER 평가단에 설명하고 K-STAR 건설에 참여한 우리 산업체들의 능력을 보여준 뒤 핵융합 연구개발에 대한 정부의 적극적인 지원 의사를 확인 받은 후 회원국으로 결정됐다.

인도의 추가적인 회원국 가입과 ITER 건설을 위한 회원국들 간의 협약에 대한 협상은 그 후 계속됐으나 건설부지 결정, 기술공유, 기술이전, 회원국들의 참여방법과 조건들이 합의되지 못해 2년 넘게 표류했다. 그러나 2005년 12월 한국의 주도하에 제주도에서 열린 ITER 당사국 회의에서 모든 조건들에 대한 합의를 이끌어 내 2006년 11월에 최종 합의서가 체결됐다. 공식적으로 2007년부터 프랑스 카다라쉬 부지에 건설작업이 시작됐다.

이즈음 우리는 K-STAR 건설을 완료하고 성공적으로 운영을 하고 있었기 때문에 ITER와 구조와 기술적 내용이 유사한 K-STAR의 건설 경험은 ITER 건설에 필수적인 참고자료가 됐다. 많은 ITER 건설 분야 책임자들이 K-STAR를 방문했고, 상당부분의 기술업무는 K-STAR 건설에 참여했던 국내 업체에 의뢰하게 됐다. 이렇게 해서 ITER 건설과 운영은 자연스럽게 대한민국이 주도하게 됐다.

ITER와 비슷한 시기에 일본에 건설된 재료시험 시설인 IFMIF는 우리가 가장 취약한 분야였던 재료문제들을 해결하는데 큰 도움을 주었다. 우리는 ITER 회원국이었기 때문에 ITER-IFMIF는 제한적인 사용자로서 권리를 확보할 수 있었다.

국내 핵융합실험장치인 K-STAR가 2008년 7월 15일 첫 플라즈마 발생에 성공했다. 사진은 발생한 플라즈마의 모습.

◈ 핵융합에너지 수출로 연간 8000억 달러 수익

사실 고온재료는 핵융합에너지를 상용화하기 위해 세계 모든 나라가 해결해야 하는 난제였다. 우리는 그동안 탄소나노기술 분야에 대한 연구가 활발하게 진행됐고, 국제협력을 통해 힘든 재료개발을 수행할 수 있었고, ITER-IFMIF의 시험을 통과할 수 있었다.

미국의 석유지질학자 킹 허버트 박사는 피크 오일 이론(peak oil theory)에서 생산능력이 한계에 도달해 원유생산이 최고점에 이른 뒤 급감하는 과정에서 유가가 크게 오르고 세계가 대공황과 대규모 기아상태를 맞게 될 것으로 내다봤다.

이 이론에 따르면, 2025년이 넘어가면서 석유와 석탄과 같은 화석연료는 배럴당 50유로(9만원) 정도의 경제적 조건으로 채굴, 생산할 수 있는 양은 더 이상 없게 됐다. 배럴당 석유값은 이미 400유로를 넘어가고 있었고, 유엔은 단순히 발전이나 자동차에 석유나 석탄을 직접 연소시켜 사용하는 것을 금지하는 권고안을 그 전에 발표했다.

이 권고안은 석유와 석탄 자원이 고갈되어 가는 시기에 좀더 가치가 높은 제약, 섬유, 화학분야 등에 한정적으로 사용함으로써 후손을 위해 화석연료를 남겨 놓기 위한 특별한 배려로 국가 간 이해가 합치되어 나온 것이다.

K-STAR의 주장치실에서 조립되고 있는 K-STAR의 3대 핵심부품들. 왼쪽부터 토카막, 토카막을 감쌀 저온용기 실린더, 뚜껑에 해당하는 저온용기 리드.

이에 따라 많은 국가들이 태양광, 太陽熱(태양열), 風力(풍력), 潮力(조력), 波力(파력), 地熱(지력), 바이오에너지를 주축으로 하는 新(신)재생에너지 확대에 주력하게 됐다. 따라서 이제까지 거대 발전소 중심의 중앙공급식 에너지 계통은 마을단위의 소지역 중심 에너지 공급망으로 변화됐다. 그러나 신재생에너지는 에너지원이 항상 일정하지 않고 경제성이 낮다는 한계가 있었다. 사계절이 뚜렷하고 흐린 날이 많은 우리나라의 경우 신재생에너지는 총 소요 에너지의 20%를 넘지 못하는 것으로 평가되고 있었다.

핵융합에너지는 안전하고 환경적으로 깨끗하기 때문에 에너지 수요가 있는 지역 인근에 발전소를 건설할 수 있다. 따라서 지역 분산형 미래 에너지계통에도 적합한 자원으로 평가됐다. 특히 전력과 수소를 모두 공급할 수 있고, 사용연료가 무한하게 있어 핵융합발전소는 창조적으로 단순화된 에너지계통의 주 에너지공급원이 됐다.

이제 한국은 뛰어난 기술력으로 핵융합에너지의 주요 수출국이 됐다. 이제까지 매년 97%의 에너지 수요를 수입하고, 1100억 달러(2008년)를 해외에 지불했던 한국은 핵융합에너지를 해외에 수출함으로써 매년 8000억 달러 이상의 소득을 창출하게 됐다(1.5GWe 핵융합발전소의 건설비용을 40억 달러로 환산하고 한국의 세계 시장 점유율을 15%로 추정).

또 핵융합 기술개발 과정에서 얻은 플라즈마, 가속기, 레이저 등의 파생기술들은 나노기술(NT), 바이오기술(BT), 환경기술(ET), 우주기술(ST) 등 미래 첨단 산업기술에 바로 활용될 수 있고, 원자력발전소의 고준위 폐기물을 핵변환 과정을 거쳐 유용한 금속으로 바꿀 수 있어 이 분야 부가가치까지 고려하면 실제 경제적 이득은 그보다 훨씬 큰 것으로 분석됐다.

무엇보다 핵융합에너지 기술이 우리에게 준 선물은 중동지역의 정치상황이나 국제 경제흐름과 같은 외부 환경의 변화에 따라 국내 경제가 크게 흔들리는 불안감이 더 이상 없게 됐다는 사실이다. 이제 에너지 자립으로 한국은 강대국으로 도약할 준비가 완료된 것이다.

K-STAR의 토카막내 플라스마 통로인 진용용기의 인보드(기둥부분). 플라스마를 구속하는 D자 모양의 토로이달 자석과 플라스마가 안정된 상태를 유지하게 하는 폴로이달 자석이 통과한다. 기둥 내부에는 전기장을 발생시키는 CS코일이 있다.

◈ 2031년 이후

극저온, 고진공, 고자장, 초고온에서 핵융합에너지를 추출하지 않고 손쉽게 상온에서 핵융합을 발생시켜 에너지화하는 상온 핵융합 연구가 과학기술 선진국 중심으로 활발하게 추진되기 시작했다. 상온 핵융합에너지는 UFO처럼 육지와 해상수송, 항공, 국방 분야의 계통 체계를 혁명적으로 변환시킬 수 있고 인류 문명을 뒤흔들 수 있으며, 특히 상온 핵융합에너지는 세계의 패권을 결정할 수 있어 각국이 열정적으로 연구개발에 혼신의 힘을 쏟고 있다. 대한민국은 이 분야에서도 가장 앞서 있는 국가로 인정됐다.

대한민국이 꿈의 에너지인 핵융합에너지 개발에서 세계 선진국으로 도약하고, 에너지 수출국으로 행복한 변신을 할 수 있었던 그 밑바탕에는 1960년대에 처음으로 플라즈마와 핵융합 물리를 강의한 김철수 교수의 선구자적인 노력과, 부족한 실험 실습비에도 불구하고 서울대 토카막 ‘SNUT-79’ 실험장치를 건설하고 제자들을 양성한 정기형·최덕인 교수, 원자력연구소 토카막 ‘KT-1’을 건설한 연구팀, 고집스럽게 핵융합연구 프로젝트를 추진한 정근모·채영복 장관, 그리고 이경수 박사의 헌신이 있었다.⊙