메르의 생각
인공태양 핵융합발전 근황 (feat KSTAR, SMR,AI, 삼중수소)
메르
2024.03.22
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한국산 인공 태양 ‘KSTAR’, 1억도 48초간 유지 성공…또 세계 신기록
한국 연구진이 개발한 핵융합연구장치인 ‘KSTAR(케이스타)’가 1억도 초고온을 48초간 유지하는 데 성공했다. KSTAR가 갖고 있던 종전 세계 기록(30초)을 자체 경신한...
1. 2024년 3월 20일, 한국 연구진이 개발한 핵융합 연구장치인 KSTAR가 1억도 초고온의 플라스마를 48초간 유지하는데 성공함.
2. 지금까지 세계 최고 기록은 30초로 이것도 KSTAR이 가지고 있는 기록임.
3. 1억 도를 300초까지 유지할 수 있게 되면 세상이 바뀌게 됨.
4. 핵융합 발전소 건설이 가능한 기초가 마련되는 것임.
5. 1996년 대덕연구단지에 설립된 한국 핵융합에너지연구원은 2008년에 토카막 방식의 초전도 핵융합연구장치(KSTAR) 운전을 시작함.
6. 기존의 다른 핵융합국의 원자로는 내부의 구리 전자석 온도가 너무 높아져 긴 시간 동안 가동될 수 없었음.
7. KSTAR는 초전도자석을 이용한 토카막 장치로 개발되어, 냉각에서 기존 다른 핵융합 선진국의 장치를 앞서게 됨.
8. 초전도자석을 이용한 KFE의 토카막장치는 플라스마를 가둘 수 있는 더 강력한 자기장을 만들고 오랫동안 가동할 수 있어, 장시간 안정적인 플라스마 유지가 가능해짐.
9. 우리나라가 선진국들에 비해 뒤늦게 본격적인 핵융합연구를 시작했지만, 빠르게 따라잡을 수 있는 이유가 초전도자석을 활용해서 였음.
10. KFE은 1억도 이상 초고온 플라스마를 장시간 유지하는 부문에서 48초 유지라는 세계 최고 기록을 2024년 3월 20일 세움.
11. KFE은 2026년까지 플라스마 300초 유지를 목표로 연구개발을 진행하고 있음.
12. 300초에는 핵융합에 필요한 타임 스케줄이 모두 담겨 있어, 300초를 버틴다면 24시간 365일 유지의 상용화가 가능해지는 것임.
13. 핵융합은 민간에서도 활발하게 연구가 되고 있음.
14. 2023년 5월, 챗 GPT를 만든 오픈 AI의 샘 알트먼은 3억 7500만 달러의 개인 재산을 헬리온 에너지에 투자를 함.
15. 헬리온 에너지는 핵융합발전으로 전기를 얻겠다는 회사임.
16. 샘 알트먼은 AI의 숙제중의 하나가 안정적이고 친환경적인 전기 공급이라고 보고 있음.
17. 향후 10년간 미국의 전기수요는 빠르게 늘어나게 됨.
18. 인플레이션 감축법(IRA)으로 미국내 전기를 많이 먹는 제조 시설들이 늘어나고 있으며, 전기차 보급도 빠르게 늘어나고 있음.
19. 전기 수요 증가에 불을 붙인 것이 전기 먹는 하마인 AI임.
20. 2026년이면, 데이터 센터의 전력 소비량이 1000TWh를 넘어서고, 데이터 센터 전력의 75% 이상을 AI가 쓸 것이라고 함.
21. 태양광이나 풍력 등 전통적인 친환경 발전은 날씨와 바람세기 등에 따라 전력이 들쑥날쑥해서, 이런 안정적 전기 수요를 충족하기 힘듦.
22. 원자력발전과 연결된 데이터센터가 선호되는 이유임.
23. 아마존이 6억 5000만 달러에 인수한 미국 발전업체 탈렌 에너지의 데이터센터는 인근의 원자력발전소와 연결되어 있음.
24. MS와 구글도 데이터 센터 주변에 전력을 공급하는 소형 원자력 발전소(SMR) 설치를 진행하고 있음.
25. 샘 알트먼이 투자한 헬리온은 핵융합 발전을 5년 안에 상용화해서 이런 전력수요를 충족하겠다는 것이 목표임.
26. 핵융합은 중수소(2H)와 삼중수소(3H) 같은 가벼운 원소의 핵들이 결합해, 무거운 원자핵으로 변하면서 에너지를 내놓는 현상임.
27. 핵융합 원리는 아인슈타인의 특수상대성 이론에 의해 밝혀진 질량-에너지 등가 법칙(E=MC²)에서 나옴.
28. 한 개의 양성자와 한 개의 중성자를 가진 중수소와 한 개의 양성자와 두 개의 중성자를 가진 삼중수소가 충돌하면 헬륨 원자가 됨.
29. 이때 만들어지는 헬륨 원자의 질량은 중수소와 삼중수소의 질량을 합친 것보다 약간 작기 때문에, 질량의 손실만큼 질량-에너지 등가 법칙에 의해 헬륨 원자와 함께 중성자가 나오는 원리가 핵융합임
30. 핵융합에서 나오는 중성자가 핵융합로 벽을 때려서 열을 발생시키고, 그 열이 물을 끓여서 증기를 발생시키면 발전소가 돌아가기 시작함.
31. 태양이 바로 핵융합으로 돌아가는 발전소임.
32. 핵융합발전소도 태양의 핵융합 에너지 발전 방식을 지구에서 구현해서 전기를 만들어 보겠다는 것임.
33. 말은 쉽지만, 핵융합이 일어나려면 원자핵을 하나로 합쳐야 함.
34. 원자핵의 전기력(서로 밀어내는 힘)을 극복하고 핵력(서로 잡아당기는 힘)이 작용할 만큼 가깝게 접근시켜야 핵융합이 가능해서 엄청난 압력과 에너지가 필요함.
35 자석을 같은 극끼리 붙이려면 서로 밀어내는 성질 때문에 잘 붙지 않지만, 자석이 지닌 힘 이상으로 자석을 강하게 밀면 잠깐이지만 자석을 붙일 수 있음.
36. 핵융합도 원자핵들이 가지고 있는 반발력 이상의 에너지를 가하면, 핵융합 반응이 일어날 수 있게 되는 것임.
37. 태양의 경우 중심부의 압력이 워낙 높아 1천만도 정도로 온도만 올려주면 핵융합이 일어남.
38. 지구는 태양의 중심부만큼 압력이 높은 곳이 없어서, 1억도 이상 온도를 올려줘야 핵융합이 시작되는 것임.
39. 중수소와 삼중수소를 1억도 이상으로 가열하면, 원자핵과 전자가 분리된 기체 상태가 되고, 이것을 플라스마라고 부름.
40. 플라스마 상태가 되면, 두 원자핵이 융합되며 에너지가 나오기 시작함.
41. 문제는 1억도 이상으로 가열된 플라스마를 가둬놓고 견딜 수 있는 물질이 지구상에 없었음.
42. 1952년, 소련의 이로르탐과 안드레이 사하로프는 도넛 형상의 자기 코일 방에 플라스마를 가둬놓은 장치를 개발함.
43. 도넛형 용기라는 뜻인 토카막 방식으로, 내부에 강한 전류를 흘려 플라스마를 만들고, 플라스마는 거대한 코일의 자기장을 따라 도넛 안을 끊임없이 돌면서 핵융합반응을 일으키는 방식임.
44. 여기에서 초전도체가 필요해짐.
45. 거대하고 강력한 자기장으로 플라스마를 가두기 위해, 강력한 코일의 자기장을 만들고 유지하려면 저항이 없는 초전도체가 필수적임.
46. 현재까지 초전도체는 극저온이 필요해서, 추가적인 냉각 기술과 강력한 자기장을 유지하는 과정이 필요함.
47. 상온의 초전도체가 나오면 이 부분이 해결되며, 핵융합 상용화에 많이 가까워지는 것임.
48. 플라스마는 일정 조건이 만족되면, 그때부터 외부에서 열을 가하지 않아도 태양처럼 스스로 핵융합을 유지하는 인공태양이 됨.
49. 1951년, 프린스턴 물리 연구소의 라이언 스피처는 도넛 모양이 아니라 꽈배기 모양으로 배배 꼬인 플라스마 유지 장치 이론을 발표함.
50. 꽈배기 방식은 도넛 방식의 토카막보다 오랜 시간 플라스마를 안정적으로 유지할 수 있지만, 꽈배기처럼 정교하게 휘어진 코일을 만들기 어렵고, 구조가 복잡해서 만드는 비용이 토카막보다 훨씬 많이 들게 됨.
51. 꽈배기 방식을 스텔라레이터 방식이라고 부름.
52. 도넛(토카막)과 꽈배기(스텔라레이터)의 핵융합 시설 경쟁은 꽈배기가 우세했었음.
53. 도넛이 꽈배기보다 구조가 단순해서 비용과 제작 시간이 적게 들지만, 전류를 정밀하게 유지하는 게 힘들다는 단점이 있었기 때문임.
54. AI를 전자 제어에 사용하는 등 제어기술이 정교해지자, 토카막의 단점이 해결되며, 토카막의 가성비가 다시 관심을 받기 시작함.
55. 토카막은 현존하는 핵융합 장치 중 가장 상용화 가능성이 높은 방식으로 재평가가 됨
56. 토카막 방식으로 핵융합 상용화를 위해 미국, 중국, 러시아, EU, 한국, 일본, 인도 7개국의 300명의 과학자로 이루어진 연구팀과 5천 명의 기술팀이 국제 핵융합 실험로(ITER)를 프랑스 남부 카다라쉬에 만들고 있음.
57. 한국도 전체 건설 비용의 9% 정도를 부담하며 상당 수준 참여하고 있고, 현대중공업, 두산에너빌리티등이 7천억 이상의 수주를 하고 있음.
58. ITER은 기존 핵융합장치보다 10배 이상 큰 80m²에 달하는 초대형 장치임.
59. ITER는 핵융합이 안정적인 에너지원이 될 수 있음을 증명하는 마지막 단계로 일컬어짐.
60. ITER이 성공하면 투입되는 에너지보다 나오는 에너지가 많아지는 손익분기점을 넘어설 수가 있어, ITER 다음은 상용화라는 말임.
61. 올해 ITER의 첫 번째 플라스마 생성 일정이 나올 것으로 보이며, 2027~2028년 정도로 예상하고 있음.
62. ITER을 돌리기 위해 필요한 물질이 있음.
63. 삼중수소임.
64. ITER을 돌리기 위해서는 매년 1, 2Kg의 삼중수소가 필요하고, 누적으로 총 18Kg의 삼중수소가 필요하게 됨.
65. 여기서 삼중수소는 일본 원전에서 제거되지 못하고 바다에 배출되는 그 삼중수소가 맞음.
66. 일본 원전의 오염수에 들어있는 삼중수소를 바다에 버리지 말고, 추출해서 여기에 쓰는 것이 어떻냐는 생각을 할 수 있음.
67. 오염수에 들어있는 삼중수소는 물(H2O)와 같은 성질(H3)이라 분리가 힘듦.
68. 분리가 된다 하더라도, 일본 오염수 전체에 들어있는 삼중수소 총량이 2.2g 정도임.
69. ITER에만도 매년 1, 2Kg의 삼중수소가 필요한데, 2.2g의 삼중수소는 의미가 없는 것임.
70. 현재 삼중수소의 상업적 공급은 19기의 캐나다 중수소 우라늄 원자로(CANDU)에서 만들고 있고, 25kg 정도를 가지고 있음.
71. 캐나다 중수소 우라늄 원자로(CANDU) 외에 삼중수소를 가지고 있는 곳은 한국임.
72. 캐나다와 한국의 월성원전 1,2,3,4호기는 동일한 방식의 중수소 우라늄 원전으로 가동 과정에서 삼중수소가 나오고 있음.
73. 한국 역시 1983년부터 월성원전을 가동하면서 삼중수소가 나오고 있고, 5.7kg을 회수해서 보관하고 있음.
74. 아직 삼중수소는 핵융합에 쓰이지 않지만, 야광 등에 일부 사용하고 있음.
75. 삼중수소를 인으로 둘러싸며 빛이 나는데, 삼중수소가 붕괴하면서 나오는 베타선이 형광 물질인 인에 충돌하며 빛이 나게 됨.
76. 야광 시계에 2~3억 베크렐, 비상구 안내 등에 9,000억 베크렐의 삼중수소가 사용되고 있음.
© suicide_chewbacca, 출처 Unsplash
77. 수십 년 된 시계의 야광판이 흐려지는 것도 삼중수소의 반감기가 12년 정도라서 그럼.
78. 워낙 미세한 분량이 사용되고 있어서, 야광용 삼중수소 소비량은 연간 400g 정도임.
79. 2024년 3월 14일 원자력안전위원회는 삼중수소 운반, 저장용기 확대를 승인함.
80. 삼중수소는 금의 400배 가격에 시세가 형성되고 있는데, 월성원전에서 보관하고 있는 삼중수소를 수출해 보겠다는 계획임.
81. 일본 원전 오염수에서 제거되지 않고 배출되며 문제를 일으키는 삼중수소도 쓰이기에 따라서는 돈이 되고 있는 것임.
82. 핵융합은 삼중수소로 하는 방식이 있고, 중수소와 헬륨 3로 만드는 방식이 있음.
83. 삼중수소만 하더라도 방사능 반감기가 12년 정도로 짧아서 반감기가 45억 년에 달하는 우라늄에 비하면 관리가 수월함.
84. 달에서 가져올 수 있는 헬륨 3는 삼중수소가 아니라 중수소를 쓰기 때문에, 핵융합과정에서 방사능 자체가 나오지 않음.
85. 안전 측면에서도 터져도 방사능 유출이 없고, 플라스마가 그냥 사라질 뿐임.
86. 중수소는 바닷물 1L에서 0.03g을 쉽게 얻을 수 있는데, 삼중수소는 리튬을 핵융합로 안에서 핵변환해야 얻을 수 있어 까다로움.
87. 삼중수소를 사용하는 기존 핵융합보다, 달 표면에서 그냥 캐오면 되는 헬륨 3와 중수소핵융합의 경제적 가치가 높은 이유임.
88. 미국은 달 기지를 통해 헬륨 3를 확보하는 게 가장 큰 목표임.
89. 헬륨 3는 태양풍을 타고 우주 공간을 떠도는데, 지구에는 대기와 마찰로 타버려 거의 없지만, 달에는 수 미터가 표면에 쌓여있는 것임.
90. 헬륨 3 1톤은 석유 1,400만 톤의 에너지를 낼 수 있어, 헬륨 3 25톤이면 미국 전체가 1년을 사용할 에너지를 뽑아낼 수 있음.
91. 달 표면에는 인류가 1만년을 사용할 수 있는 에너지가 쌓여 있는 것임.
92. 2024년 3월 15일 발사한 스타십의 목적이 단순하게 달에 가는 게 아님.
https://blog.naver.com/ranto28/223383927921
스타십 3차 발사 근황(feat 일론 머스크, 테슬라, 아르테미스)
https://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2024031502109963040001&ref=naver 3월15...
93. 달에 상주하며 헬륨 3와 희토류 등 자원 채굴을 하겠다는 것임.
94. 스타십은 화성에 사람과 화물을 보내겠다는 목표로 개발한 우주선이라, 총 길이는 자유의 여신상보다 높은 122m에 달함.
95. 스타십은 상단의 50미터짜리 스타십과 하단의 70미터짜리 슈퍼 헤비를 결합한 2단 로켓임.
96. 슈퍼 헤비는 나사가 보유한 발사체 중 가장 힘이 센 SLS보다 2배 강력한 파워라, 인류 역사상 가장 강력한 발사체임.
97. NASA가 진행하는 유인 달 착륙 계획인 아르테미스 계획에 사용될 달 착륙선에 스타십이 선정됨.
98. 달에 과거와 같이 자그마한 달 착륙선이 아니라, 50미터짜리 달 착륙선이 내리는 것임.
99. 핵융합은 최근 발전 속도가 예상보다 빨라지는 것 같음.
100. 삼중수소를 통한 핵융합 발전은 한계가 있어서, 달표면의 헬륨 3를 채굴하는 방식이 상용화의 대세가 될듯한 분위기임.
101. 다만, AI를 돌리기 위한 막대한 에너지를 핵융합으로 만들기에는 시간이 너무 촉박함.
102. 핵융합이 상용화되기 전에 현실적인 대안으로 SMR이 다시 부각되고 있음.
103. 빌 게이츠가 만든 테라파워는 첫 번째 SMR을 2030년 가동하기 위해 착공 인허가를 미국 당국에 신청했고, 올해 6월에 공사를 시작함.
104. 테라파워는 민간자금 10억 달러에 정부 지원금 20억 달러가 추가되며, 강력한 정부 지원을 받게 됨.
105. 테라파워의 민간자금 10억 달러에는 SK와 SK이노베이션의 투자금 2억 5000만 달러가 포함되어 있음.
106. HD현대도 2022년 3천만달러를 투자해서 테라파워 지분 10%를 확보함.
107. 2024년 3월 6일, 민간이 주도하는 해상 원자력 에너지 협의기구(NEMO)가 영국 런던에 설립됨.
108. NEMO는 해상 원자력 발전 상용화의 글로벌 표준과 규정을 수립하는 것이 목표임.
109. 미국 테라파워, 서던컴퍼니와 같은 SMR선도기업들과 원전 부분 웨스팅하우스, 영국 로이드 선급, 용융염원자로의 덴마크 시보크등 7개국 11개 기업이 참여하는 기구임.
110. 용융염원자로는 소금(나트륨)을 이용하는 SMR급 원자로로, 해상 원자력 발전에 가장 적합한 것으로 평가를 받고 있음.
111. 미국 에너지부 원자로 실증사업(ARDP)에서 5년간 1억7100만달러를 지원받으며, 공동연구를 진행할 예정임.
112. 한국 기업들도 나름 열심히 뛰고 있음.
한 줄 코멘트. 전기 먹는 하마인 AI가 예상보다 빠르게 확대되면서 전기 수요를 크게 자극하기 시작함. 충분한 전기를 안정적으로 공급받을 수 있는 것이 국가 경쟁력의 큰 부분을 차지하게 될듯함. 전기를 만들고, 송전하고, 보관하는 과정들에서 많은 기회가 발견될 것 같고, 핵융합을 공부하다 보면 시선이 다시 SMR로 가게 되는 것 같음.
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다른 시각으로 세상을 정리해 봅니다. 네이버 메르의 블로그에 글을 쓰고 있습니다
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