핵융합에너지로 전기를 생산하겠다는 과학자들이 모여서 국제핵융합실험로(ITER) 연구를 하고 있다. 우리나라는 여기에 산업부와 과기부가 각각 같은 명목으로 예산을 집행해서 연간 700억 원(2018년 예산)의 국민세금을 지원하고 국가핵융합연구소 운영에만 840억 원 가량이 들어간다. 발전기술개발 명목으로 산업부 전력산업기반기금에서도 예산을 받고, 기초연구사업 명목으로 과기부에서 추가로 예산지원을 받아 관련 예산이 연간 1800억 원이 넘는다(국가핵융합연구소 총 383명).
국가핵융합연구소 소장을 지낸 이가 지난 2월 11일, 더불어민주당 인재 19호로 영입되었다. 게다가 최근에는 부설기관이었던 국가핵융합연구소를 연구원으로 독립법인화 하는 법안이 국회 과학기술정보통신위원회 전체회의를 통과했다는 소식이다. 이제 국회 법제사법위원회와 본회의가 남았다.
정부 출연 연구원 중에 특정 연구주제로 연구원이 설립된 곳은 없다. 국가핵융합연구소는 한국기초과학지원연구원 산하 부설기관이다. 이를 기초과학지원연구원과 동격으로 승격시키겠다는 것이다. 한국식품연구원 산하 부설기관인 세계김치연구소를 한국식품연구원 수준으로 끌어올리겠다는 얘기인 셈이다.
핵융합이건 핵분열이건 모두 원자의 핵을 두고 벌어지는 일들이니 원자력연구원 산하로 옮기거나, 발전소 건설이 목적이면 산업부로 이관하는 게 맞다. 지금도 여기저기 걸쳐 국민세금을 지원받는 핵융합연구소를, 인력을 더 늘리고 세금도 더 쓸 수 있는 연구원으로 승격시키는 이유가 뭘까. 이렇게 특별대우를 받을 만큼 그동안 성과를 낸 것이 있는가?
지구 질량의 33만 배인 태양이라서 핵융합 반응이 가능
꿈의 에너지라는 수식어가 따라붙는 '핵융합 에너지'는 어린 시절 공상과학 영화나 만화에 등장했던 영웅들이 악당을 무찌를 때 사용하던 막강한 힘의 원천으로 종종 등장하곤 했다. 그런 꿈같은 핵융합에너지를 현실화시켜보겠다는 의지는 과학자로서 품어 봄직한 꿈일 수 있겠지만 실제는 그렇게 녹록하지만은 않다.
우라늄 방사성 동위원소인 우라늄 235의 핵은 양성자와 중성자를 합쳐 235개나 된다. 이렇게 큰 핵에 중성자선이 반응하면 핵이 분열해서 다양한 크기의 핵들로 쪼개진다. 그 과정에서 핵분열에너지가 방출되는데 이를 이용하는 것이 원자력발전소(정확히는 핵분열에너지 발전소)이다. 수소는 양성자 하나 전자 하나로 가장 작은 원소이다. 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소가 핵융합 반응으로 헬륨이 되면서 핵융합에너지를 방출한다. 이때 발생하는 핵융합에너지가 핵분열에너지보다 5배가량 더 크다. 문제는 핵융합 반응이 일어나야 하고 안정적으로 유지도 되고 경제성도 확보해야 발전소로서 의미가 있다.
핵융합 반응은 지구 질량의 33만 배(태양계 전체 질량의 99.8% 차지)인 태양의 중력과 태양 중심 온도 1500만도 가량의 높은 온도가 유지되는 조건에서 지속적으로 일어나는 반응이다. 말 그대로 '태양'이라서 가능한 반응이다. 태양에서 일어나는 핵융합 반응 덕분에 태양광 에너지와 태양열 에너지를 이 먼 지구에서 사용할 수 있다. 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구상에서 구현해서 발전소를 만들겠다는 국내 과학자들이 국가핵융합연구소에서 연구를 하고 있고, 7개국(EU, 중국, 인도, 일본, 러시아, 미국, 한국) 과학자들이 모여서 실험로를 건설하겠다며 연구하는 것이 국제핵융합실험로 연구다.
지구에 태양을 구현하겠다는 이 야심찬 연구가 넘어야 할 산이 만만치 않다. 태양이 아닌 지구이기 때문에 태양 중심 온도 1500만도의 7배 높은 1억도 이상을 유지해야 핵융합 반응이 안정적으로 일어날 수 있는데, 이런 온도를 구현하는 자체가 큰 벽이다, 설령 그런 온도를 구현했다 하더라도 1억도를 견디는 재료가 없으니 자기장을 이용해서 삼중수소와 중수소를 이온 상태의 플라즈마로 공중에 띄워놓는 방법을 쓰는데 플라즈마 상태를 계속 유지하는 것도 관건이다.
핵융합에 필요한 삼중수소를 지속적으로 공급하는 것도 풀어야 할 과제다. 태양에서는 일반적인 수소에서부터 반응이 시작되어 중수소, 삼중수소가 만들어지고 이들이 핵융합 반응을 하지만, 지구상에서는 중수소와 삼중수소를 미리 만들어서 공급해야 한다. 중수소는 바닷물에서 뽑을 수 있지만 삼중수소는 따로 생산해야 한다. 국제핵융합실험로 홈페이지에는 "삼중수소는 세계 재고(인벤토리)에서 조달"할 것이라고 표현하고 있다. 캐나다와 한국 등에서 운영 중인 캔두형 원자로에서 발생하는 삼중수소를 일컫는 것이다. 핵융합 반응 과정에서 발생하는 삼중수소로 자체 공급 계획을 세우고 있지만 핵융합 반응부터 성공하고 볼 일이다.
더구나 핵융합 반응에서 나오는 중성자선은 방사능 오염을 유발한다. 원전의 원자로에서 일어나는 방사능 오염과 다를 바 없다. 핵융합이건, 핵분열이건 각 반응에서 발생하는 중성자선은 주변 물질-구조물들을 방사화시켜서(방사능을 갖도록 변화시켜서) 결국에는 방사성폐기물이 발생된다. 이들 중성자선은 물론 방사화된 물질들이 내뿜는 방사선이 생명체에 위해를 가하지 않도록 차폐를 해야 한다. 중성자선은 금속 분자구조의 격자결손을 일으켜서 강철이 유리처럼 약해지게 하는 취성화 현상을 일으킨다. 중성자선에 의해 발생하는 원자로의 안전 이슈가 핵융합로에도 동일하게 적용된다. 중성자선이 나오는 반응에서 방사능 오염과 핵폐기물 발생은 필연적이다.
핵융합 반응을 성공하는 것이 목표인 기초과학연구로 발전소를 짓겠다니
2005년에 기초지원연구원의 부설기관으로 설립된 한국핵융합연구소는 2008년부터 2025년까지 총 4단계로 나누어 핵융합 에너지를 상용화하는데 기여하는 연구를 하겠다는 계획을 세워 예산을 받고 있다. 2013년부터 20초 운전시간을 유지하고, 2017년까지 300초 운전 목표를 세웠으며, 2022년까지 3억도 온도에서 운전하겠다는 것이 목표이며, 2025년까지 데모 시뮬레이터로 300초 이상 운전하겠다는 목표다.
핵융합 반응이 안정적으로 이루어지려면 1억도 이상의 초고온 플라즈마가 안정적으로 유지되어야 한다. 2016년 12월에 플라즈마를 최장으로 유지한 시간이 72초이다. 하지만 1억도에는 한참 미치지 못했다. 2019년 2월에 1억도를 넘겼다는 소식이 들려왔다. 하지만 유지시간은 1.5초에 불과했다. 지난 13년 간의 연구에도 핵융합반응조차 안정적으로 유지하는 것을 성공하지 못한 것이다.
이는 우리나라만 뿐 아니라 국제핵융합실험로 역시 마찬가지다. 핵융합에너지를 상용화하겠다는 얘기는 1990년대에도 나왔던 얘기다. 성과 없는 연구에 각국에서 개별적으로 투자하기 어려워 국제핵융합실험로 연구를 조직했다는 게 전문가들 사이의 정설이다.
핵융합 반응이 유지되는 것조차 성공하지 못했는데 이 에너지를 이용해서 '발전'하고 '상용화'하겠다는 광고성 기사들이 온라인에 가득하다. 꿈의 에너지 핵융합에너지 상용화를 위해 국가핵융합연구소는 국제핵융합실험로 공동개발사업에 참여하면서 2007년부터 올해 11월까지 1조 2천365억 원을 부담하기로 결정했다. 2020년까지 실험로를 건설하겠다는 계획이 성공하지 못하고 5년 연장되자 국가핵융합연구소는 5285억 원을 더 부담할 예정이라고 한다.
2007년 4월, 핵융합 발전소를 2035년까지 개발하겠다며(최근에 과기부는 이를 2045년으로 연장하는 계획을 마련 중이라는 소식이다) 핵융합 관련 사업에 총 4조7000억 원의 국민세금을 투여하는 계획을 세웠다. 2020년까지 총 2조 원, 매년 1400억 원대이며 2006년 기초과학연구 예산 총액 1조7000억 원의 8%를 넘는 막대한 액수다. (☞관련기사 : '돈 먹는 하마'에 거침없이 투자?)
1억도 1.5초 유지를 위해서 2조 원이 넘는 국민세금을 썼고 그 중에 1조 원 가량은 국제핵융합실험로 연구에 지불했다. 2035년 개발 일정을 10년 늘려서 세금을 더 투여하겠다는 결정이나 국제핵융합실험로를 5년 더 연장해서 5000억 원의 세금을 더 쓰겠다고 결정할 때 세금이 제대로 쓰이고 있는지 평가를 하는 것이 먼저일 텐데, 지금은 한술 더 떠서 부설기관을 본원으로 설립하겠다는 법이 국회 과학기술정보통신위원회를 통과한 것이다.
핵융합 반응 자체를 성공하는 것이 관건인 이 연구에 예산 편중이 심각한데, 산업통상자원부의 전력산업기반기금 예산까지 핵융합 연구에 쓰이고 있다. 산업통상자원부 예산을 받으려면 적어도 전력수급기본계획에 반영될 만한, 20년 내에 전력생산이 가능한 기술이어야 한다. 핵융합 반응도 안정적으로 구현하지 못하는데 산업부 예산을 받는 것 자체가 모순이다.
핵융합 발전소를 상용화하겠다면, 기초과학 연구에서 나아가 공학의 단계로 진전시키고 경제성도 확보해야 한다. 실험로, 원형로, 실증로 단계를 거쳐서 경제성이 있다면 상용화된 발전소를 만드는 것이다. 하지만 지난 수십 년의 시간은 핵융합 반응이 기술적으로 경제적으로 매우 어렵다는 것을 보여주는 과정이었다. 현 수준에서 보면 국제핵융합실험로 연구에서도 실험로는 차치하고라도 안정적인 핵융합 반응도 기대하기 어렵다는 평가다. 핵융합 연구에 딸린 재료기술과 제어기술 연구에서 오히려 진전이 있다는 얘기다.
지금은 매년 2000억 원 가량의 국민세금을 계속 지출할 것인지 평가해야 하는 상황이지 다른 연구원과 위상도 맞지 않는 국가핵융합연구원을 설립할 상황이 아니다. 국제핵융합실험로 연구에 매년 700억 원 가량의 분담금을 내고 그 중 상당액을 턴키사업으로 국가핵융합연구소가 연구를 수주하는 형식이 되면서 핵융합 연구에 쓰이는 상당액의 연구비가 감사도 어려운 구조다. 다른 기초연구와 형평성도 맞지 않은 막대한 예산 투입이 적정한 지 확인해야 할 시점이다.
태양의 핵융합 에너지로 충분하다
태양은 태양계 중심에서 핵융합 반응을 일으키면서 이미 우리에게 풍부한 에너지를 보내주고 있다. 그 에너지를 담는 발전설비만 있으면 태양이 존재하는 한 공짜로 쓸 수 있다. 태양광도, 태양열도, 나무도, 풀도, 바람도 다 태양에서 오는 에너지로 만들어진다. 이들은 이미 태양광, 풍력, 바이오 등 다양한 형태의 에너지로 인류가 전기를 쓸 수 있는 기술로 개발되었고 상용화되었으며 그 어떤 발전원보다도 경제성 있는 것으로 판명되고 있다.
국가 예산은 국민들의 세금으로 구성된다. 국가 예산은 한정되어 있다. 어디에 돈을 써야 할지 판단을 해야 한다. 지난 수십 년간 국가 예산을 투입했지만 여전히 실현가능성이 희박하다면 재고해야 한다. 그런데, 국민을 대신해서 행정부의 세금 낭비 단속을 해야 할 국회가 코로나19로 전 국민이 고통받고 나라가 혼란스러운 이 때에 핵융합연구원 설립 개정안을 통과시킨다니 우려스럽다. 국회는 국민을 대신해서 나라살림을 알뜰히 관리해야 하는 본분을 망각하지 않기를 바란다.
<참고자료>
국제핵융합실험로 연구 https://www.iter.org/
국가핵융합연구소 https://www.nfri.re.kr/kor/pageView/92
ITER 한국 사업단 https://www.iterkorea.org/
나무위키 핵융합 https://namu.wiki/w/%ED%95%B5%EC%9C%B5%ED%95%A9
‘돈 먹는 하마’에 거침없는 투자? http://legacy.h21.hani.co.kr/section-021021000/2007/05/021021000200705100659025.html
Fusion reactors: Not what they’re cracked up to be
By Daniel Jassby, April 19, 2017 https://thebulletin.org/2017/04/fusion-reactors-not-what-theyre-cracked-up-to-be/
ITER is a showcase … for the drawbacks of fusion energy By Daniel Jassby, February 14, 2018
https://thebulletin.org/2018/02/iter-is-a-showcase-for-the-drawbacks-of-fusion-energy/
Why Aren’t We Using Nuclear Fusion To Generate Power Yet? https://www.scienceabc.com/eyeopeners/why-arent-we-using-nuclear-fusion-to-generate-power-yet.html
과학기술분야 정부출연연구기관 등의 설립․운영 및 육성에 관한 법률 일부개정법률안
검토보고서 2017.9. 과학기술정보방송통신위원회 전문위원 신항진
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