Rti 중앙방송국 
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[*아래 글은 실제 당일 방송 내용과 차이가 있을 수 있으니 보다 정확한 내용은 방송으로 확인해주시기 바랍니다.]
지난 한 주 타이완에서 화제가 됐던 다양한 분야의 이슈를 과학 기자의 시각으로 자세히 들여다보는 Rti 한국어방송의 목요일 프로그램 포르모사링크입니다. 안녕하세요 포르모사링크 진행자 손전홍입니다.
새로운 에너지는 기술 진보와 함께 발전해 왔습니다.
오늘의 🇹🇼타이완 산업을 만들어낼 수 있었던 근간의 힘! 눈부신 첨단기술도… 풍부한 에너지를 만났기에 새로운 산업화로 이어질 수 있었죠.
타이완 북부 신베이(新北) 스먼(石門)에 있는 타이완 최초의 ☢️원자력발전소인 제1원자력발전소(第一核能發電廠,Chinshan nuclear power plant)는 장제스(蔣介石) 정부 시절이던 1973년, 당시 장징궈(蔣經國) 행정원장의 제안으로 수립된 ‘ 10대 건설사업(10大建設)’ 계획에 따라 건설돼 1979년 7월 15일부터 상업 운전을 시작했습니다.
타이완의 고도경제성장을 촉진시키고 국민 소득을 빠르게 증가시킨! 타이완 공업부문 부흥기가 제1원자력발전소를 시작으로 한 원전 건립 시기와 일치하는 것은 시사하는 바가 큽니다.
에너지와 전기… ‘문명의 혈관’ ‘현대 경제의 생명선’이라 불릴 정도로 중요하지 않은 적이 없었습니다.
그런데 21세기, ‘에너지 먹는 하마’라는 인공지능(AI)! 이 AI의 시대에는 차원이 다른 과제가 되고 있는데요.
우리의 일상생활에서 활용되기 시작한 챗 GPT처럼 생성형 인공지능 AI… 전력소모량이 어마어마하다는 사실! 알고 계신가요?
구글에서 일반 검색에 필요한 전력은 0.3Wh(와트시)에 불과하지만, 동일한 내용을 인간처럼 말하고 반응하는 ‘생성형 AI’로 검색을 하려면 1건당 구글 검색의10배가량 많은 2.9Wh(와트시)의 전력이 소모됩니다.
국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2026년 AI 학습과 서비스에 쓰이는 전력 소모량이 캐나다나 일본이 한 해 소비하는 전력 소비량을 훌쩍 뛰어넘을 것으로 예상된다고 합니다. 지금 구글 검색을 모두 생성형 AI로 한다면 순간적으로 어느 나라, 어느 지역에 정전 사태가 발생할지 모를 일입니다. 상상이 가시나요?
어쨌든 간단한 질문 하나에 답하는데만 해도, 방대한 데이터를 확인해야 하는 챗GPT 등 생성형 인공지능 AI… 엄청난 양의 전력이 필요합니다.
AI 시대, 새로운 기술과 산업의 등장이 또 한 번의 에너지 전환을 요구하고 있는 셈인데, 에너지 문제를 풀 실마리로 주목받는 게 바로 핵융합(Nuclear Fusion) 에너지 입니다.
핵융합 에너지는 핵분열 방식의 원자력발전과는 달리 방사성 물질이 나오지 않아 안전하고, 연료로 수소를 쓰기 때문에 무한하며 온실가스도 배출하지 않아 깨끗한 미래 에너지원으로 '꿈의 에너지'라고 불립니다.
핵융합 에너지… 안전하고 친환경적인 미래 에너지로써 많은 선진국들이 관련 기술 개발에 뛰어든 상태입니다.
핵융합 발전을 서둘러 가동하는 것은 이제 핵융합 에너지 스타트업 간의 경쟁을 넘어 국가 간의 패권 경쟁으로까지 인식될 정도죠.
에너지 수입의존도가 95% 이상에 달하는 타이완이 에너지 문제를 해결할 것으로 기대되는 핵융합 에너지에 큰 관심을 보이는 것, 자연스러운 입니다.
타이완도 경제의 핵심 동력이라 할 수 있는 반도체, AI 산업에 전기를 원활하게 공급할 수 있도록 대용량의 전기 생산이 가능한 핵융합 발전에 방점을 찍고 관련 핵심기술을 선점하기 위해 총력을 다하고 있습니다.
대표적으로 타이완 국가원자력과학기술연구원이 오는 2027년 완공을 목표로 하고 있는 타이완 국내 1호 연구용 핵융합 장치인 ‘퍼스트(FIRST)’가 있는데…이건 뒤에서 다시 설명해 드릴게요!
오늘 포르모사링크에서는 핵융합 에너지에 대해 이야기 해볼까 합니다!
☀️태양과 핵융합 반응
스스로 빛을 내는 태양 중심에서는 핵융합 반응이 아주 활발하게 일어나고 있습니다.
태양은 이 핵융합 반응을 통해서 무한한 빛과 에너지를 지속해서 뿜어내고 있는데, 태양이 1초 동안 만들어내는 에너지가 지구상의 모든 발전소가 만들어내는 발전용량의 1조 배나 많다고 하니 정말 어마어마하죠!
그리고 태양이 만들어낸 엄청난 빛과 에너지는 지구에 전달되고, 지구의 모든 생명체들은 이 에너지를 받아 살아 숨쉬고 있죠.
우리 인류, 지구 위에 태양을 가두고 심지어 새로운 태양을 만들고 싶어하는 데… 그 이유! 바로 무한하고 청정한 에너지를 만들기 위해서입니다.
☢️핵융합과 핵분열
핵융합과 핵분열, 핵이란 용어 때문에 언뜻 듣기엔 혼동할 수 있을 것 같습니다.
핵융합과 핵분열… 모두 원자핵의 반응으로 에너지를 내는 방식인건 맞아요.
다만, 우라늄과 같은 무거운 원소의 원자핵이 중성자와 충돌하여 가벼운 원자핵으로 쪼개지면서 에너지가 나오는 핵분열의 경우, 원자력으로 상용화돼서 우리 사회 에너지원의 큰 부분을 차지하고 있습니다.
반면, 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 반발력을 이기고 무거운 원자핵으로 합쳐지면서 에너지가 나오는 핵융합은 태양이 에너지를 얻는 원리로 획기적인 방식으로 꼽히지만, 아직 상용화되지는 못했습니다.
태양의 중심부에서는 고체, 액체, 기체 상태도 아닌 물질의 4번째 상태인 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵과 원자핵이 서로 융합하는 핵융합 반응을 통해 에너지를 만들어내고 있는데, 지구 위에서 이런 조건을 달성하기는 쉽지 않기 때문입니다.
🔋핵융합 에너지를 만들기 위한 환경 만들기
뜨거운 태양을 지구 위에 어떻게 붙잡아 둘 것인가? 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서도 일으키려면 무엇이 필요할까? 이게 핵심일텐데요.
지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 인공적으로 태양과 같은 환경을 만들어야 합니다.
먼저 중수소(2H)와 삼중수소(3H)가 핵융합 반응을 위한 연료로 꼭 필요해요.
기존 핵분열 원자력 발전소에 사용되는 희귀원소 우라늄과는 달리, 중수소와 삼중수소는 쉽게 얻을 수 있어요.
중수소는 바닷물을 전기분해 해서 얻을 수 있는데, 바닷물 1L 속에는 0.03g의 중수소가 들어 있죠.
삼중수소는 흔하지 않은 자원이지만 리튬(3Li)을 핵융합로에 투입시켜 분리, 생성할 수 있죠.
지구 표면의 70% 이상이 바닷물이고, 리튬 또한 매장량이 풍부하다는 것을 고려하면 핵융합 연료는 거의 무한하다고 할 수 있어요.
지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위한 두 번째 조건은 태양과 같은 초고온의 플라스마 상태, 즉 약 1억도 정도의 플라스마가 필요합니다.
1억도라는 상상하기 어려운 초고온 상태를 만드는 것도 어렵지만, 여기서 끝이 아닙니다.
1억도의 초고온 플라즈마를 태양처럼 잘 가두어야 핵융합 반응이 일어나기 때문에, 초고온 플라스마를 가둬 둘 용기가 필요해요.
☀️인공태양 ‘토카막’
지구 상에 1억℃의 플라즈마를 직접 담을 수 있는 그릇은 없습니다.
때문에 지구에서 초고온 플라즈마를 가둘 수 있는 방법을 찾기 위해 과학자들은 오랜 시간 연구를 거듭해야 했죠.
그러다 과학자들이 발견한 방법… 바로 ‘자기장’이었습니다.
초고온의 플라즈마는 평소에 자유롭게 움직이지만, 전기적 특성을 가지고 있어 자기장을 만나면 그 방향을 따라서만 움직입니다.
과학자들은 자기장의 영향을 받는 플라즈마의 특징을 이용해 초고온의 플라즈마를 가둘 수 있는 도넛 모양의 핵융합 장치인 ‘토카막(Tokamak)’을 개발했죠.
토카막은 초고온 플라즈마가 빠져나가지 못하도록 끝과 끝을 연결한 도넛 모양의 진공용기를 만들고 그 주변에 자기 코일을 설치한 장치입니다.
도넛 모양의 진용공기 내부에 플라즈마를 구속하는 자석을 설치해 자기장을 걸어주면 도넛 안에서 중구난방 날 뛰던 초고온의 플라즈마 입자들! 자기장 주위를 무한정 회전 운동하게 되어 용기 안에 갇히게 됩니다. 즉 태양과 똑같은 초고온 플라즈마 상태의 환경이 만들어짐에 따라 지구 위에서도 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 건데, 이게 바로 토카막의 기본 원리입니다. 간단히 말하면 태양의 환경을 본뜬 것이라고 볼 수 있데요. 때문에 토카막, ‘인공 태양’이라 불리기도 합니다.
핵융합 에너지 개발에 뛰어든 선진국들은 토카막을 이용해 핵융합 상용화 연구를 수행해왔습니다.
유럽연합(EU)의 JET부터 한국에서 2007년 완공한 초전도 핵융합연구장치인 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)까지, 세계 주요 핵융합연구장치들 대부분 토카막 방식입니다.
특히 2027년 완공을 목표로 하고 있는 타이완 국가원자력과학기술연구원이 제작 중인 국내 첫 핵융합 연구 장치인 ‘FIRST’ 역시 토카막의 손을 들어줬습니다.
타이완 북부 타오위안에 소재한 국가원자력과학기술연구원 내에 건설되고 있는 ‘FIRST’는 Formosa Integrated Research Spherical Tokamak, 포르모사의 통합 연구 구형 토카막이라는 뜻으로 높이 2m의 도넛형으로 생긴 소형 토카막입니다.
핵융합 에너지🔋 상용화를 위해 개발돼야 하는 기술들
“핵융합을 얻는자 천하를 얻을 겁니다. 得核融合者得天下”
타이완 에이수스(ASUS)의 자회사로 애플의 핵심 협력업체이자 아이폰 조립업체인 페가트론(和碩)의 퉁즈시엔(童子賢)회장이 한 말입니다.
핵융합 에너지로 실제 우리 생활에 필요한 전기를 생산하기 위해 서는 앞으로 약 20~30년이 더 필요합니다.
그럼에도 핵융합 에너지가 이토록 주목받을 수밖에 없는 이유는 인류가 직면한 에너지 문제 등을 해결할 수 있는 근본적인 해결책으로 평가받고 있기 때문이죠.
무한한 가능성으로 인해 인류의 미래라고 평가받는 핵융합에너지, 실현을 위해 남은 과제… 핵심은 결국 기술입니다.
핵융합 에너지 상용화를 위해 개발돼야 하는 기술들 중에서 가장 어려운 부분에 해당하는 것이 초고온 플라즈마의 움직임을 물리적으로 이해하고 제어하는 기술인데요.
핵융합로 내 초고온 플라즈마… 허리케인보다도 더 복잡하고 이해할 수 없는 난류(Turbulence)가 발생해 핵융합 반응을 방해할 수 있기 때문입니다.
그래서 초고온 플라즈마를 토카막과 같은 핵융합 장치에다 안정적으로 오랫동안 가두는 기술은 핵융합에너지 상용화의 핵심과제로 여겨지고 있죠.
결국 핵융합이 잘 되는 조건의 초고온 플라즈마를 만들기 위해서는 플라즈마의 특징과 움직임을 이해하고 제어할 수 있는 기술이 개발돼야 하는데, 아직 풀리지 않은 의문들이 많이 남아있습니다.
“저희가 설계한 토카막의 실제 크기는 높이가 2m 정도 되고, 플라즈마 온도를 섭씨 100만도까지 올려 플라즈마의 움직임을 제어하는 기술을 연구할 것입니다.”
마웨이양(馬維揚) 국가원자력과학기술연구원 물리소 소장이 지난해(2024년) 5월 17일 타이완의 소리 Rti와의 인터뷰에서 밝혔듯이 국가원자력과학기술연구원은 현재 건설되고 있는 ‘FIRST’를 활용해 플라즈마 물리와 관련된 다양한 연구를 진행할 예정이예요.
쉽게말해 플라즈마의 움직임을 이해하고 제어하는 기술을 확보함으로서 더 오래 더 안정적으로 핵융합 반응을 일으키겠다는 것이죠.
타이완의 인공태양 ‘FIRST’는 실제로 전기를 생산하게 될 핵융합 실증로의 바로 전 단계로서, 실증로 건설과 운영에 대한 불확실성을 줄이고, 목표 달성까지 남은 다양한 과제들을 해결하는 중요한 열쇠가 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.
각국이 핵융합 에너지 상용화를 위해 연구하고 있는데, 앞으로 30년 뒤쯤 핵융합으로 전력을 만들 수 있다는 전망이 나옵니다.
우리 실생활에 활용되기 까지는 조금 더 시간이 필요하지만, 타이완도 ‘FIRST’를 통해 토카막 운전 기술, 플라즈마 제어 기술 등 핵융합 에너지 실현을 위한 핵심 기반기술 확보에 뛰어든 만큼 꼭 핵융합 에너지의 시대가 열릴 것이라고 믿습니다.
Rti 한국어방송의 목요일 프로그램 포르모사링크, 오늘 준비한 소식은 여기까지입니다. 진행에 손전홍이었습니다. 저는 다음주 목요일 이 시간에 다시 찾아 뵙겠습니다. 청취자 여러분 고맙습니다. 안녕히 계십시오.
※ 참고자료
3월 27일(목) 포르모사링크 삽입곡
[BGM : 루드비히 고란손 (Ludwig Göransson)- Can You Hear The Music (영화 ‘오펜하이머’ 중에서)]
[BGM : 루드비히 고란손 (Ludwig Göransson)- Quantum Mechanics (영화 ‘오펜하이머’ 중에서)]
《Rti中央廣播電臺》(2024.05.17) <台灣將打造首座核融合實驗設施 地點選定桃園市國原院>, https://www.rti.org.tw/news/view/id/2206280
