핵융합은 태양에서 일어나는 반응으로 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져서 하나의 무거운 원자핵이 되면서 에너지를 방출하는 과정입니다. 토카막은 핵융합 과정을 지구에서 실현하려는 기계로 에너지 문제를 해결할 수 있습니다. 토카막이 성공하면 청정에너지를 무한 생산이 가능해지며 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 환경 오염을 획기적으로 감소시킬 수 있습니다.
또한 핵융합 에너지는 방사능 폐기물이 거의 발생하지 않아 장기적으로 안전하고 지속 가능한 에너지원으로 자리 잡을 것입니다. 이러한 이유로 토카막은 미래의 에너지원으로 큰 기대를 받고 있습니다.
토카막의 작동 원리
플라즈마 생성
- 토카막 안에 수소의 일종인 중수소와 삼중수소를 넣습니다.
- 전기 에너지를 사용해 수소를 매우 높은 온도에서 기체 상태를 넘어 플라즈마 상태로 만듭니다. 플라즈마는 매우 뜨겁고 전자와 이온이 분리된 상태입니다.
자기장으로 가두기
- 플라즈마는 매우 뜨거워서 일반 물질로 된 벽에 닿으면 안 됩니다. 그래서 토카막은 자기장(자석의 힘)을 이용해 플라즈마를 도넛 모양으로 가둡니다.
- 도넛 모양의 자기장이 플라즈마를 벽에서 떨어뜨려 놓아 안전하게 가둡니다.
핵융합 반응
- 플라즈마가 충분히 뜨거워지면 수소 원자핵들이 서로 충돌해 헬륨 원자핵으로 바뀌면서 많은 에너지를 내놓습니다. 이 과정이 핵융합입니다.
에너지 얻기
- 핵융합 반응에서 나오는 에너지를 모아서 열로 바꿉니다.
- 이 열로 물을 끓여서 증기를 만들고 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.
토카막 기술 가능성
토카막 기술은 세계 여러 나라에서 활발히 연구되고 있으며 ITER 프로젝트가 가장 주목받고 있습니다. ITER는 세계 최대의 핵융합 실험 장치로 35개국이 협력하여 프랑스에 건설 중입니다. 현재 ITER는 조립 단계에 있으며 2025년에 첫 플라즈마 실험을 목표로 하고 있습니다. 이와 함께 유럽의 JET와 미국의 PPPL에서도 연구되고 있었습니다.
한국에서는 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 프로젝트가 큰 성과를 이루고 있습니다. KSTAR는 2024년 1월에 새로운 텅스텐 다이버터를 설치하여 1억 도 이상의 플라즈마를 48초 동안 유지하는 데 성공하였습니다.
목표
토카막의 주요 목표는 상용 핵융합 발전을 실현하는 것입니다. 이를 위해 ITER와 KSTAR는 다음과 같은 목표를 설정하고 있습니다.
- 안정적 플라즈마 유지: 플라즈마를 안정적으로 가두고 유지하는 기술을 완성
- 에너지 증폭: 투입된 에너지보다 많은 에너지를 생산을 달성
- 재료 과학: 플라즈마와 상호작용하는 재료의 내구성을 시험하고 장기적으로 사용할 수 있는 재료를 개발
성공 가능성
현재까지의 연구와 실험 결과는 핵융합 에너지가 상용화될 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다. JET와 KSTAR와 같은 연구 시설들은 지속적으로 새로운 기록을 세우고 있으며 ITER의 성공은 이러한 기술이 실제로 작동할 수 있다는 것을 입증할 중요한 기회가 될 것입니다. ITER와 KSTAR의 성공 여부는 여러 요인에 달려 있지만 국제적인 협력과 기술 발전을 통해 실현 가능성이 점점 높아지고 있습니다.