스티븐 카울리 : 에너지의 미래, 핵융합

핵심 질문입니다. "핵융합은 과연 언제 실현될까요?" 우리가 핵융합 반응에 대해 알게 된 것은 꽤 오래되었습니다. 인류는 아서 스탠리 에딩턴 경과 영국과학진흥협회(BAAS)가 태양이 빛을 발산하는 원인이 핵융합이라고 추측했던 1920년부터 핵융합의 존재를 알고 있었습니다.

저는 오래 전부터 자원에 대해서 걱정이 많았습니다. 여러분은 어떤지 모르겠습니다만, 전 어머니가 먹을 걸 주시면 항상 싫어하는 것부터 좋아하는 것까지 정렬해놓곤 했습니다. 그리곤 싫어하는 걸 먼저 먹었는데, 좋아하는 걸 아껴놓고 싶은 심리랄까요. 마치 어린이처럼, 항상 자원에 대해 걱정하고 있죠. 그리고 우리가 얼마나 빨리 전 세계의 자원을 소진하고 있었는지 알게 되었을 때, 매우 화가 났었는데, 마치 태양이 지구를 삼킬 때까지 50억 년밖에 남지 않았다는 것을 알았을 때처럼 화가 났었죠. 제 인생에선 엄청난 일이었습니다. 괴짜였죠. (웃음)

현재, 에너지는 자원이 지배하고 있습니다. 에너지로 돈을 버는 나라들은 지하에 많은 자원을 갖고 있습니다. 영국에서 산업혁명을 일으켰던 석탄, 석유, 가스(!), 죄송합니다. (웃음) 가스, 아마도 저는 푸틴 씨가 가스 공급을 끊어버리는 걸 즐긴 유일한 사람일 것 같은데, 예산이 증액되기 때문이죠.

현재 우리는 정말로 우리가 점점 더 빠르게 소비하고 있는 이런 자원에 지배를 받고 있습니다. 우리는 제 3 세계와 개발도상국에서 수십억 명을 빈곤으로부터 구제하려고 애를 쓰는 가운데, 에너지를 점차 더 빠르게 소비하고 있습니다. 그리고 그 자원들은 사라져 갑니다. 앞으로 에너지는 자원에서 나오는 것이 아니라 지식에서 나올 것입니다. 앞으로 50년 후를 내다볼 경우, 우리가 에너지를 만드는 방법은 다음 세 가지 중 하나일 겁니다. 풍력이나, 그 외 다른 것들을 보조 에너지원으로 쓰겠지만 이 세 가지가 근본적인 대용량 에너지원이 될 겁니다.

태양광 발전도 좋습니다. 반드시 개발해야 하는 것 중 하나입니다. 하지만 태양광 발전을 전 세계의 기반 에너지원으로 쓰려면 아직 연구해야 할 것들이 너무 많습니다. 핵분열. 영국은 6개의 새로운 원자력발전소를 가동할 예정입니다. 새로운 원자력 발전소 6기를 가동할 것이고 이후에도 더 늘어나겠죠. 중국을 비롯해 모두 원자력발전소를 짓고 있습니다. 그것이 탄소를 배출하지 않는 단 한 가지 해결책이라는 걸 알고 있기 때문입니다.

하지만 정말 완벽한 에너지원이란 무엇일까요? 완벽한 에너지원이라고 한다면, 공간을 많이 차지하지 않고, 사실상 고갈되지 않으며, 안전하고, 탄소를 대기 중에 방출하지 않고, 반감기가 긴 방사성 폐기물을 남기지도 않아야 합니다. 바로 핵융합입니다. 하지만 단점이 있습니다. 물론 모든 경우에 단점 하나 정도는 있게 마련이죠. 핵융합을 실현하는 것은 매우 어렵습니다. 50년 동안이나 노력해 왔습니다.

그럼 핵융합이 뭘까요? 핵물리학이 등장할 차례군요. 좀 죄송하긴 합니다만, 이게 바로 제가 달아오르는 부분입니다. (웃음) 좀 괴짜 꼬맹이였죠. 핵 에너지는 단순한 원리로 나옵니다. 가장 안정한 원소는 철인데, 주기율표에서도 가운데를 차지하고 있습니다. 철 원자핵의 크기는 중간쯤 됩니다. 에너지를 얻고 싶다면 철에 가까워지는 방향으로 가면 됩니다. 따라서 매우 큰 원자인 우라늄은 분열해서 작아지려 합니다. 작은 원자들은 서로 뭉쳐서 커지려 하죠. 작은 원자핵들은 서로 뭉쳐서 더 큰 덩어리가 되어 철에 가까워지려고 한다는 뜻입니다.

이런 방식으로 핵 에너지가 발생하게 되는 것입니다. 사실 빛나는 별에서 일어나는 일과 똑같은 것입니다. 별의 중심부에서는 수소가 합쳐져서 헬륨이 생성됩니다. 그 다음엔 헬륨끼리 뭉쳐져서 탄소, 산소가 만들어집니다. 우리 몸을 이루고 있는 모든 것들은 별의 중심부에서 만들어진 원소인 셈이죠. 하지만 이것은 매우 달성하기 힘든 과정입니다. 알다시피, 별의 중심부는 엄청나게 뜨거운 곳입니다. 거의 정의상으로만 볼 때 수소 간의 핵융합 반응이 아마 핵융합을 일으키기 위한 가장 쉬운 반응일 것입니다. 수소 동위원소 두 가지, 즉 두 종류의 수소를 이용합니다. 바닷물에서 얻을 수 있는 무거운 수소인 중수소와 매우 무거운 수소인 삼중수소를 이용합니다.

이 두 개의 원자핵은 전하를 갖고 있습니다. 여러분이 둘을 붙이려고 하면 둘은 서로 밀어냅니다. 하지만 여러분이 둘을 충분히 가깝게 붙인다면 강한 핵력이 작용하기 시작해서 서로 잡아당기게 됩니다. 대부분의 경우엔 척력이 작용해서 서로 밀어내죠. 둘을 매우 가깝게 밀착시키면 어느 위치에서 강한 핵력이 작용해서 둘은 서로 당기게 됩니다. 순간, 그 둘은 합쳐져서 헬륨-5가 됩니다. 5개의 핵자가 들어있기 때문에 5입니다.

저런 과정입니다. 중수소와 삼중수소가 합해져서 헬륨-5가 됩니다. 여기서 헬륨이 쪼개져서 중성자가 튀어나오고 엄청난 에너지도 함께 방출됩니다. 어떤 물체를 1억 5천만 도까지 가열하면 입자들은 엄청난 속도로 운동을 하게 되고 정확하게 설정된 상태에서 충돌하는 매순간 핵융합이 일어나고 에너지가 방출됩니다. 이것이 바로 핵융합 에너지입니다. 그리고 이것이 우리가 구현하려는 반응입니다.

하지만 이 반응을 위한 한 가지 제약이 있습니다. 그것은 1억 5천만 도를 만들어야 한다는 것입니다. 아직까진 이 반응에 대한 어려움이 있습니다. 제법 화끈한 온도니까요. 이 반응을 위해 다른 어려운 점은 삼중수소가 자연상태로 존재하지 않는다는 것입니다. 우리는 그것을 다른 무엇인가로부터 얻어내야 합니다. 이것은 리튬으로부터 얻을 수 있습니다. 그 반응은 아래와 같습니다. 리튬 6과 중성자가 반응하면 헬륨과 삼중수소를 얻을 수 있습니다. 이것이 우리가 삼중수소를 생산해내는 방법입니다. 다행스럽게도, 우리가 핵융합 반응을 발생시키면 중성자를 얻을 수 있기 때문에, 삼중수소를 생산할 수 있습니다.

자, 우린 도대체 왜 이리 어려운 반응을 일으키느라 애를 먹는 걸까요? 이것이 바로 우리가 이 삽질을 하는 이유입니다. 우리에게 얼마나 많은 연료들이 남아있는지 현재 세계 연료소비량을 기준으로 계산해보면 보시는 바와 같이 석유는 수십 년밖에 쓸 수 없다는 것을 알 수 있습니다. 파란선은 현존하는 자원의 최소 추정량이고, 노란선은 가장 낙관적으로 추정한 값입니다.

계속 보시면 화석연료는 수십 년, 아마 길어야 100년 정도밖에 쓸 수 없다는 것도 아실 수 있을 것입니다. 게다가 모두 써버리는 것도 절대로 원치 않습니다. 왜냐하면 그것들은 대기중으로 끔찍한 탄소를 내뿜기 때문입니다. 다음은 우라늄이 있습니다. 현재의 원자로 기술로는 -- 열중성자를 사용하여 핵분열을 일으키는 기술 -- 사용 가능한 우라늄이 그리 많이 남아 있다고 할 수 없습니다. -- 열중성자를 사용할 시 0.7%인 우라늄 235만을 연료로 사용하기 때문 -- 따라서 우리는 노란선으로 보이는 바다에서 추출한 우라늄을 이용하여 기존 원자력발전소를 최대한 활용할 수 있습니다. 한가지 놀라운 사실은 우리 정부가 교토의정서를 만족시키기 위해 지구 온난화의 규제를 위한 국제 기후변화 협약 원자력 발전소에 의존하고 있다는 것입니다.

더 나아가기 위해서는 우리는 고속증식로 기술을 개발해야만 할 것입니다. -- 고속중성자로 핵분열반응을 일으키는 기술. 우라늄 238을 연료로 사용가능하므로 천연우라늄의 대부분을 활용할 수 있다는 의미 -- 하지만 고속증식로는 상당히 위험한 기술이라는 것이 문제입니다. 오른편의 가장 큰 수치는 세상에 존재하는 리튬을 모두 사용할 경우입니다. 리튬은 바닷물에도 존재하고 있습니다. 그것이 노란선입니다. 따라서 바닷물에는 약 3000만년 분량의 핵융합 연료가 존재한다고 할 수 있습니다. 이제 왜 우리가 핵융합을 실현시켜야 하는지 이해하셨으리라 봅니다. 경제적인 측면은 어떻게 될까요? 우리는 전기 생산 비용의 대부분이 실제 핵융합 발전소를 건설하는 비용이라고 가정합니다. 그러면 대략 현재 전기와 비슷한 가격으로 전기를 생산할 수 있을 것입니다.

자, 그렇다면 어떻게 이 핵융합을 일으킬까요? 이 반응을 위해서는 어떤 물질을 1억 5천만 도의 온도로 가둬놔야 합니다. 사실 이미 성공한 적이 있습니다. 자기장을 사용했죠. 저 도너츠 모양 한 가운데의 온도는 대략 1억 5천만 도가 됩니다. 내부의 초고온 입자들은 막대한 에너지로 열운동을 합니다. 이 열운동에너지로 핵융합 반응이 일어나는 것입니다. 이 사진은 핵융합실험 장치인 JET(Joint European Torus)입니다. 이것은 세계에서 유일하게 실제로 핵융합 반응을 성공시킨 장치입니다.

어떤 이는 "핵융합은 맨날 30년뒤에나 가능할 것이라고 항상 그래" 라고 빈정거립니다. 이럴 때면, 전 "네, 근데 사실 핵융합은 이미 실현되었죠"라고 말합니다. 우리는 이 장치의 내부에서 핵융합 반응을 발생시킬 수 있습니다. 우리는 1997년에 핵융합 반응을 통해 16MW의 전기를 생산했습니다. 그리고 우리는 2013년에 다시 이 실험을 재개할 것이고 이 기록을 깨는 것을 목표로 하고 있습니다. 하지만 아직 진정한 의미의 핵융합 에너지는 아니죠. 단지 핵융합이 일어난 것이죠. 핵융합 에너지를 진정으로 얻기 위해서는 상용 핵융합로를 건설해야 합니다. 인류를 위해 3000만년 가량의 핵융합 에너지를 손에 넣기 원하기 때문이죠. 이것이 우리가 현재 건설 중인 장치입니다.

이 연구를 수행하기 위해서는 막대한 비용이 듭니다. 작은 규모의 장치에서는 핵융합을 성공할 수 없음이 증명된 바 있습니다. 저온 핵융합 같은 헛소리의 경우에도 말이죠. 그렇죠? 우리는 매우 거대한 장치에서 핵융합 반응을 일으켜야 합니다. 세계 인구의 반 이상이 남 프랑스의 니스에 건설되고 있는 이 장치와 관련되어 있습니다. 실험하기 좋은 장소죠. 현재 건설에는 7개국이 참여하고 있습니다. 건설 비용은 20조 원입니다. 우리는 500 MW의 전기를 생산할 것입니다. 하지만 여전히 아직 실제 전기는 아닙니다. 우리는 여기까지 도달해야 합니다. 발전소까지 도달해야 한다는 것입니다. 우리는 이 고도로 어려운 기술을 통해 전력망에 전기가 흐르도록 해야합니다. 그리고 저는 진심으로 훨씬 빠른 기간에 실현되길 바랍니다. 하지만 현재로서는 2030년 경 언제쯤밖에 예상할 수 없습니다.

전 이것이 틀리기를 기원합니다. 우린 바로 지금 필요합니다. 앞으로 5년 내에 영국은 에너지 문제에 봉착하게 될 것이라 생각합니다. 따라서 2030년은 너무나 먼 것처럼 보입니다. 하지만 그렇다고해서 우리는 지금 이것을 포기해선 안됩니다. 핵융합 에너지를 손에 넣기 위해 우리는 더욱 전진해 나아가야 합니다. 전 우리에게 좀 더 많은 돈과 자원이 있었으면 좋겠습니다. 하지만 이것이 우리가 목표로 하는 것입니다. 2030년 경의 언젠가, 핵융합으로 실제 전기를 만들겠습니다. 감사합니다. (갈채)