유석재 한국핵융합에너지연구원장 - 세상을 밝히는 핵융합에너지로 완전한 에너지자립 실현에 앞장서겠습니다
유석재 한국핵융합에너지연구원장 - 세상을 밝히는 핵융합에너지로 완전한 에너지자립 실현에 앞장서겠습니다
  • 박소연 기자
  • 승인 2022.11.28 11:16
  • 댓글 0
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다시 뛰는 원자력 생태계, 차세대 에너지 안보위한 대한민국 에너지산업의 도전
유석재 한국핵융합에너지연구원장 [사진=한국핵융합에너지연구원]
유석재 한국핵융합에너지연구원장 [사진=한국핵융합에너지연구원]

국내 유일의 핵융합에너지 전문 연구기관인 한국핵융합에너지연구원은 궁극적인 에너지 문제를 해결하기 위한 핵융합에너지 연구개발 수행을 목적으로 핵융합에너지의 원천기반 및 실증 연구를 비롯해 플라즈마 과학 연구 및 원천기술의 개발, 핵융합에너지 정책연구 및 기술정보의 수집 및 보급과 확산, 핵융합에너지 분야 전문인력양성, 핵융합 및 플라즈마와 관련한 산업계 협력·지원과 기술사업화를 주도적으로 이끌어가고 있다. 특히, 핵융합에너지 원천기반 연구를 위해 세계 최고 수준의 초전도핵융합연구장치 ‘KSTAR’2007년 완공하여 운영 중이며, 세계 주요 핵융합에너지 개발을 선도하는 7개 회원국이 공동으로 추진하는 국제핵융합실험로 ITER 공동개발사업에 참여하고 있으며, 전기생산 실증을 위한 핵융합발전소 건설에 필요한 핵심기술 개발을 추진하는 등 핵융합에너지 개발의 선두에 적극적으로 앞장서고 있다.

 

국내 유일의 핵융합 전문연구기관으로서 핵융합 분야의 기술 상용화를 위해 어떠한 연구들과 업무들을 추진하며 해당 인프라들을 마련하고 있는지 궁금합니다.

먼저 이해를 돕기 위해 핵융합에너지 실현을 위한 주요 핵심 개발 단계에 대해 말씀드리자면, 기술적 관점에서 핵융합에너지 개발은 초고온/고밀도 플라즈마 제어기술’, 자발적으로 유지되는 핵융합 연쇄반응의 실증기술’, ‘삼중수소 생산자급 기술로 크게 세 단계로 구분할 수 있습니다. 초고온/고밀도 플라즈마 제어기술은 연료 가스를 초고온/고밀도 플라즈마 상태로 만들어 지속해서 유지되도록 제어하는 기술입니다. 주 연료 가스는 수소의 동위원소인 중수소입니다. 중수소만 사용하는 경우도 있지만, 중수소에 삼중수소 또는 헬륨-3을 혼합하여 사용할 수도 있습니다. 이 중에서 삼중수소를 혼합해 사용하는 경우가 핵융합 반응 효율이 가장 높아 현재 핵융합에너지 개발의 주류를 이루고 있습니다. 다음 단계는 지속적으로 유지되는 초고온/고밀도 플라즈마 환경에서 핵융합 반응이 자발적으로 연쇄적으로 일어날 수 있음을 실험적으로 검증하는 것입니다. 이것은 1942년에 핵분열 반응이 연쇄적으로 일어나게 할 수 있고 제어 가능함을 검증했던 것과 유사하다고 볼 수 있습니다. 이러한 핵분열 연쇄반응의 성공적 실증은 약 14년 후에 첫 번째 원자력발전소가 건설·운영되면서 원자력이 급격하게 상용화로 발전되는 계기가 되었습니다. 그러나 핵융합발전소는 자연 상태로 존재하지 않는 삼중수소의 공급이 어려워 핵융합로 내에서 리튬으로부터 삼중수소를 생산 자급하는 기술을 확보해야 하는 단계가 더 필요합니다. 삼중수소는 핵융합 반응 동안에 핵융합로 내부에 장착된 증식블랑켓을 통해서 만들어집니다. 이 증식블랑켓 기술이 확보되어야 핵융합 연쇄반응과 삼중수소 생산자급이 합쳐져서 핵융합발전소가 가능해집니다. 그래서 핵융합발전소의 실질적인 연료는 중수소와 리튬이라고 할 수 있습니다. 왜냐하면 삼중수소는 핵융합 반응을 위해 핵융합로 내부에서 과도기적으로 생산 공급되었다가 소모되는 중간물질이므로 외부에서 직접 공급할 필요가 없어 연료라고 할 수 없기 때문입니다. 다음으로 인프라 관점에서 말씀드리면, 초고온/고밀도의 플라즈마를 지속적으로 제어·유지하는 기술을 개발하기 위해서 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)라는 한국형 초전도 핵융합 장치를 건설하여 운영하고 있습니다. 현재 KSTAR 장치를 통하여 이온 온도 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 30초 이상 유지하는 세계 기록을 세웠습니다. 2026년까지 이온 온도 1억도 이상에서 300초 이상 유지 제어할 수 있는 기술을 확보하려는 목표를 갖고 있습니다. 여기서 300초 이상 유지에 성공하면 초고온 플라즈마를 지속해서 시간제한 없이 유지할 수 있음을 실험실 수준에서 검증한 것이라 볼 수 있습니다. 그리고 자발적으로 유지되는 핵융합 연쇄반응의 실증을 위해서 ITER(International Thermonuclear Experiment Research)라는 핵융합 장치를 우리나라를 포함한 7개 회원국이 프랑스에 공동으로 건설하고 있습니다. 이 장치를 이용하여 2035년에서 2038년 사이에 핵융합 연쇄반응의 실증을 목표로 하고 있으며, 이 시기가 핵융합에너지 개발의 변곡점이 될 것입니다. 다음으로 핵융합 반응에 필요한 삼중수소의 생산자급을 위해서는 증식블랑켓(Breeding Blanket) 기술을 확보해야 합니다. 증식블랑켓 기술은 핵융합발전소의 비즈니스에서 꽃이라고 할 수 있을 정도로 가장 중요한 것으로 각국이 독자적으로 개발을 추진하고 있습니다. 그리고 각국은 ITER에 의한 핵융합 연쇄반응의 실증 성공을 기반으로 최초의 핵융합발전소 건설을 위한 정책적 결정을 하게 될 것입니다. 그래서 증식블랑켓 기술은 ITER에 의한 핵융합 연쇄반응 실증 이전에 확보되어야 합니다. 이러한 증식블랑켓 기술 개발에 필요한 인프라 구축은 현재 기획연구 중입니다. 핵융합에너지 상용화를 위한 마지막 단계의 인프라는 전기생산 실증을 위한 핵융합발전소라고 할 수 있습니다. 지속적인 초고온/고밀도 플라즈마 제어기술과 핵융합 연쇄반응의 실증과 증식블랑켓 기술을 결합하면 전기생산 실증과 경제성을 가늠해 볼 수 있는 첫 번째 핵융합발전소 건설이 가능하게 될 것입니다. 이 실증을 위한 첫 번째 핵융합발전소를 운영해 봄으로써 기술적 검증 및 경제성 평가를 통해서 본격적으로 상용 핵융합발전소들이 건설되어 핵융합에너지 시대가 도래하게 될 것입니다.

 

또한, 핵융합에너지 개발 과정에서 얻어지는 가장 중요한 기술이 무엇이고 활용을 위한 어떤 연구와 업무를 추진하고 있는지 여쭙고 싶습니다.

핵융합에너지 개발 과정에서 가장 필수적인 기술은 플라즈마를 다루는 기술입니다. 핵융합에너지 개발 과정에서 얻어진 플라즈마를 다루는 기술은 산업체 전반에 활용될 수 있습니다. ‘플라즈마 기술과 응용분야가 핵융합에너지 개발과 더불어 자연스럽게 개발되고 있는 것은 마치 방사선 기술과 응용분야가 원자력 개발과 더불어 자연스럽게 개발되었던 것과 같습니다. , 원자력 분야에 방사선 기술이 있다면 핵융합에너지 분야에는 플라즈마 기술이 있습니다. 플라즈마 기술은 응용 및 활용 분야에 따라 다양한 연구개발 인프라가 필요하여 현재 군산 새만금 지역에 플라즈마기술연구소를 설립하여 운영하고 있습니다. ‘국민의 삶의 질 향상을 위한 플라즈마 기술을 향하여 플라즈마기술연구소에서는 플라즈마 기반기술, 플라즈마 원천기술, 플라즈마 융·복합기술로 플라즈마 기술을 분야별로 구분하여 수행하고 있습니다. 플라즈마 기반기술에는 플라즈마 물성 데이터 기술, 플라즈마 모델링 및 시뮬레이션 기술, 플라즈마 진단 및 특성 평가 기술이 있습니다. 플라즈마 원천기술은 플라즈마 기반기술을 이용하여 신기술을 창출하거나 기술 한계 극복을 위한 플라즈마 발생원을 개발하는 데에 목표를 두고 있습니다. 플라즈마 융·복합 기술은 개발된 플라즈마 원천기술을 다양한 산업 분야에 활용하는 기술입니다.

 

원장님께서 꼽으시는 한국핵융합에너지연구원의 대표적인 연구 성과 및 기관 내 이슈가 있다면 무엇인지 여쭙고 싶습니다.

가장 대표적 성과를 꼽는다면 KSTAR를 이용하여 플라즈마의 이온 온도를 1억도 이상 30초 이상을 유지할 수 있는 플라즈마 제어 기술을 개발한 것입니다. 이 기록은 세계 최고의 기록입니다. 그리고 그 결과를 국내외 전문가와 협업으로 분석하여 새로운 고성능 플라즈마 제어 방법으로 ‘FIRE’ 모드로 학술적 이름을 붙이고 네이처지에 게재하여 발표하였습니다. 기관 내 가장 시급하고 절박한 이슈는 전기생산을 실증하기 위해 핵융합발전소 건설에 필수적인 핵심기술 개발을 위한 연구공간과 인프라의 확보입니다. 앞에서 말씀드린 것과 같이 핵융합에너지 주요 핵심개발 1단계인 KSTAR를 활용한 초고온/고밀도 플라즈마의 장시간 유지제어 기술은 매우 안정적으로 수행되고 있습니다. 그리고 주요 핵심개발 2단계인 핵융합 연쇄반응의 실증을 위해 ITER 사업에 주도적으로 참여하고 있고 현재 건설은 76% 이상 달성하여 순조롭게 진행되고 있습니다. 그러므로 전기생산 실증을 위한 핵융합발전소 건설에 필수적인 핵심개발 3단계인 증식블랑켓 기술을 적시에 확보하기 위한 연구개발 공간 및 인프라 확보를 해야 하는 것이 현재 가장 큰 이슈라고 말씀드릴 수 있습니다.

 

기관의 원활한 업무를 위해 대외적으로 소통하고자 노력하는 부분이 있다면 무엇인지 말씀 부탁드립니다.

핵융합에너지는 2050년대에 핵융합발전소를 통하여 전기 공급을 본격적으로 하게 되므로 핵융합에너지 개발은 현재 젊은 세대(MZ 세대)가 주역이 될 것입니다. 이 세대의 소통창구는 유튜브와 같은 인터넷 기반의 플랫폼입니다. 그래서 이러한 인터넷 기반의 플랫폼을 통하여 쌍방 소통이 활성화 될 수 있도록 많은 노력을 기울이고 있습니다. 예를 들어 유튜브 전문 채널을 운영하고 있으며, 23천 명 이상의 구독자와 해바라기라는 이름의 핵융합에너지 팬덤이 구성되어 활동하고 있습니다. 정기적으로 유튜브 라이브 등을 운영하며 국민들과 직접적인 소통하는 노력을 추진하고 있고, 뉴스에 담지 못하는 연구 성과와 연구자들 이야기를 영상을 통해 공유하고 있습니다. 또한, 핵융합에너지 개발의 주역이 될 미래 세대의 핵융합에 관한 이해를 높일 수 있도록 퓨전스쿨이라 하는 교육기부 프로그램 운영을 통해 초중고 학생들이 쉽게 핵융합에너지를 이해하고, 경험할 수 있는 기회를 제공하고 있습니다.

 

이상기후와 에너지 안보를 해결할 전력산업의 게임체인저로서 핵융합에너지의 상용화를 위해 어떤 전략들을 구축해야 하는지 여쭙고 싶습니다.

장기적으로 볼 때 우리나라는 이상기후 문제를 해결하기 위해서는 우선 무탄소 에너지원으로 전환하고, 에너지 안보를 위해서는 자원 기반의 에너지원에서 기술 기반의 에너지원으로 전환이 필요합니다. 그리고 그 에너지원은 안전하고 안정적이고 안심이 되는 에너지여야 합니다. 무탄소와 기술 기반의 에너지원이며 대용량 에너지를 안전하게 안정적으로 공급할 수 있는 에너지원은 지구상에서 바닷물을 연료로 하는 핵융합에너지가 유일하다고 할 수 있습니다. 그러므로 장기적인 에너지 전략의 핵심은 핵융합에너지의 상용화시기를 당기려는 노력이 될 것입니다. 핵융합에너지 상용화를 앞당기기 위해서는 먼저 기술적으로는 핵융합발전소 건설을 위한 가장 핵심적인 3대 기술을 적시에 확보해야 합니다. , 초고온/고밀도 플라즈마의 지속적인 유지·제어 기술, 자발적 핵융합 연쇄반응의 유지·제어 기술, 삼중수소 생산 자급을 위한 증식블랑켓 기술입니다. 이 중에서 초고온/고밀도 플라즈마를 지속적으로 유지·제어하는 기술은 이미 KSTAR 장치를 통해서 잘 수행되고 있고, 자발적 핵융합 연쇄반응 실증을 위한 ITER 건설 사업은 순조롭게 진행되고 있습니다. 그러므로 현재는 삼중수소 생산 자급을 위한 증식블랑켓 기술을 어떻게 확보할 것인가가 전략 구축에 있어서 핵심이 될 것입니다. 그다음으로는 핵융합발전소 고유의 특성을 반영한 건설 및 운영 인허가를 위한 법과 제도가 마련되어야 합니다. 핵융합로를 핵분열 원자로의 일종으로 일반화하여 원자력발전소 인허가를 위한 법과 제도의 범위에 넣어 적용하려고 한다면, 핵융합발전소 건설은 거의 불가능할 것으로 보고 있습니다.

 

유석재 한국핵융합에너지연구원장 [사진=한국핵융합에너지연구원]
유석재 한국핵융합에너지연구원장 [사진=한국핵융합에너지연구원]

지금의 원장님을 있게 한 원동력이나 근원이 있다면, 그리고 가장 기억에 남았던 순간이 있으셨다면 무엇인지 궁금합니다.

제 삶의 원동력은 우리나라의 온전한 독립을 이루고자 하는 마음입니다. 우리 역사 속에는 나라를 지키고 구하셨던 많은 위인이 있었습니다. 그분들의 헌신적인 노력으로 현재 우리나라가 여전히 존재한다고 생각합니다. 그러나 우리나라가 정치적으로 독립이 되었다고 하더라도, 완전한 에너지자립을 이루어야만 비로소 온전한 독립이 가능할 것으로 생각합니다. 그리고 삶의 철학은 널리 사람에게 이롭게 하라는 홍익인간입니다. 세종대왕께서는 쉬운 한글로 널리 사람에게 이롭게 했습니다. 그리고 현재 우리나라가 그 한글을 기반으로 문화적으로 강성해져 널리 지구촌에서 더 많은 사람들을 위로할 수 있게 되었습니다. 그래서 저는 깨끗하고 안전하고 무한한 에너지로 널리 사람에게 이롭게 하는 데 기여하고 싶습니다. 그리고 가장 기억에 남았던 순간은 플라즈마기술연구소의 전신인 플라즈마기술연구센터가 완성되었음을 선포하는 2012년의 개소식 순간입니다. 핵융합에너지 개발은 장기적으로 이루어져야 하므로, 지원하는 당국이나 바라보는 국민의 기대에 대한 피로도가 높아질 수 있습니다. 이러한 피로도를 이완시키고 단기적으로 가시적 결과를 낼 수 있는 핵융합에너지 개발 과정에서 확보된 플라즈마 기술의 역할이 필요했습니다. 이를 위해 1998년부터 소규모로 부분적으로 수행하던 플라즈마 기술 연구를 체계적이고 전문적으로 수행하기 위한 플라즈마 기술 전문 연구조직으로 발전시키려는 노력을 주도적으로 하였습니다. 결국 수많은 우여곡절 끝에 14년 만에 현재의 플라즈마기술연구소의 전신인 플라즈마기술연구센터가 만들어졌습니다. 이로써 본격적으로 플라즈마 기술 연구를 할 수 있는 기반을 마련하게 되었다는 생각이 들어 무척 감격스러웠습니다. 또 다른 순간은 2020429일 국회 본회의에서 기초과학지원연구원의 부설 기관이었던 국가핵융합연구소를 한국핵융합에너지연구원으로 독립법인 승격을 위한 법률이 통과되었음을 선언하는 순간이었습니다. 그 순간, 이제야 수행의 주체와 법적 책임의 주체가 일치되는 명실상부한 핵융합에너지 전문 연구기관으로 거듭나게 되었구나하는 감격스러운 마음과 함께 그 과정에서 맞이했던 여러 우여곡절에 대한 기억이 동시에 머릿속에 떠올랐습니다.

 

마지막으로 핵융합에너지 발전 및 원자력업계의 성장과 미래를 도모하는 격려의 한 말씀 부탁드립니다.

핵융합발전소와 원자력발전소는 비슷한 부분도 있지만, 대부분은 서로 다른 부분이 더 많습니다. 그래서 핵융합에너지 발전과 기존 원자력업계의 성장을 직접 연관시키기는 어려울 것입니다. 물론, 핵융합에너지의 상용화는 기존 원자력 업계의 참여와 도움으로 더욱 활성화될 것입니다. 이를 위해서는 핵융합발전소의 고유한 기술적 공학적 특성이 반영될 수 있도록 기존 원자력업계의 전문 영역을 점진적으로 핵융합에너지 분야로 확장하거나 전환하는 노력이 필요할 것입니다. 이러한 전문 영역의 점진적이고 순조로운 전환을 통하여 우리나라의 원자력업계는 미래의 핵융합에너지 상용화를 주도하게 될 수 있을 것으로 기대합니다.



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