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"수소 1그램으로 석유 8톤 에너지를"… 기적을 만든다 

수소 1g(그램)으로 석유 8t의 에너지를 얻을 수 있는 기적을 실현할 ‘인공태양’ 상상 이미지. 나주시 제공 

수소 1그램으로 석유 8톤의 에너지를 얻을 수 있는 기적을 실현할 국내 ‘인공태양 상용화 연구’의 최적지로 ‘에너지 수도 나주’가 급부상하고 있다.

나주는 세계적인 에너지 공기업 한국전력공사와 국내 유일의 에너지 특화대학인 한국에너지공과대학교(켄텍·KENTECH) 등이 소재한 연구시설 구축의 최적지로 꼽힌다.

13일 나주시에 따르면 ‘인공태양’은 바닷물 속 수소를 원료로 온실가스(이산화탄소) 배출 없이 대용량의 핵융합 에너지를 얻을 수 있는 ‘무한 청정에너지’ 생산 장치로 정의할 수 있다.

연료공급을 중단하면 즉시 가동이 중단된다는 점에선 사고 발생 시 핵연료가 계속 타면서 방사능 오염을 유발하는 원자력발전소를 대체할 폭발이나 사고 위험 없는 안전한 에너지원이다.

기술 개발의 관건은 바닷물에서 추출한 수소원료를 1억도 이상 가열해 태양과 같은 환경을 인위적으로 만든 후 지속 가능한 핵융합 반응을 유지하는 것.

●인공태양 상용화 연구 구축 시급한 이유

지구 모든 생명체의 근원인 태양은 초당 6억톤 수소를 태우며 핵융합 반응을 통해 빛과 열에너지를 만들어 낸다.

인공태양을 연구하는 국내외 연구진들은 바닷물에 무한대로 포함된 바로 이 수소원료에 주목하고 있다.

핵융합 발전의 원료인 중수소와 삼중수소는 바닷물에서 사실상 무한대로 얻을 수 있고, 사용 가능 추정 기간은 약 1500만년 정도에 1억도 이상 가열해 핵융합 반응을 일으키면 여기서 나오는 열에너지로 전기를 무한대로 생산할 수 있기 때문이다.

고갈돼 가는 화석연료를 대체할 게임체인저를 넘어 인류가 직면한 에너지 문제와 탄소 배출로 인한 기후변화 문제까지 해결할 수 있다는 점에서 꿈의 에너지원으로 기대받고 있다.

이 때문에 우리나라를 포함한 선진국들은 인공태양 상용화 기술 선점을 위해 총성 없는 전쟁을 벌이고 있다. 기술 선점을 위해선 인공태양을 구성하기 위한 핵심기술 연구·개발이 선행돼야 하기 때문이다.

이에 나주시는 에너지 신사업 분야 연구·개발의 최적 요건을 장점으로 인공태양 과학연구 중심지로 도약하기 위해 발 빠르게 관련 연구시설 유치에 착수했다.

나주시가 유치에 박차를 가하고 있는 연구시설은 인공태양 발전소가 아니라 향후 본격적인 상용화(발전)에 필요한 인공태양을 연구하고 데이터를 축적해 실증하기 위한 시설이다.

●에너지 패권 인공태양 기술 선점 시급

세계 주요 선진국은 인공태양 기술 선점을 위해 국가적인 투자와 함께 민간 영역에서도 수천억원 수준의 과감한 투자를 아끼지 않고 있지만 우리나라는 이에 미치지 못하고 있는 실정이다.

국가적 기술 경쟁이 가속화되고 있는 가운데 국제핵융합실험로(ITER) 참여 회원국인 대한민국과 미국, 러시아, EU, 일본, 중국, 인도 등 35개국은 각각 연구시설(실증로) 구축과 산업화을 위한 사전 준비에 속도를 내고 있다.

핵융합에너지의 실현 가능성을 과학 기술적으로 실증하기 위해 35개국이 힘을 모아 역사상 가장 큰 규모의 국제공동연구를 추진 중이지만 기술 선점을 위한 불꽃 튀는 경쟁은 피할 수 없는 숙명이다.

ITER 회원국의 핵융합 상용로 추진 단계별 로드맵은 크게 ‘2020년대 연구로(중소형)’→‘2020~2030년대 대형연구로’→‘2030~2040년대 실증로’→‘2050년대 상용로’ 등 4단계로 설정돼 있으며 지난 2020년 5월 프랑스 남부 카다라쉬에 국제핵융합실험로 건설에 착수했다.

실험로 구축에 필요한 조달 부품은 86개로 국가별로 세분화된 가운데 우리나라는 10개 조달 품목이 할당돼 ‘초전도 도체’ 1개 품목을 조달 완료했다.

다른 ITER 회원국들도 부품 조달과 인공태양 기술 선점을 위해 투자를 아끼지 않고 있다.

일본은 지난해 5월 민관 연합으로 스타트업에 1000억원을 출자해 토카막, 스텔러레이터, 레이저 핵융합 등 다양한 방식을 개발 중이다.

기술 개발 진척 속도가 비교적 빠른 미국은 1950년대부터 연구를 시작해 최근엔 진보한 시뮬레이션 기술 개발을 추진 중이다. 2022년 12월 수소 투입량보다 많은 에너지를 생산하는 데 성공하기도 했다.

중국도 지속적인 성능 개선을 통해 플라즈마 전자온도를 1억도까지 달성하는 기술 개발 성과를 냈다.

우리나라는 지난 2007년 중수소를 연료로 하는 인공태양 연구 장치 ‘KSTAR’를 구축하고 2021년에 플라즈마 이온온도 1억도를 30초간 달성하는 기술 개발에 성공했다.

정부는 꿈의 에너지로 분류되는 ‘인공태양 상용화’ 기술 개발에 더욱 박차를 가하기 위해 관련 연구소 설립을 추진 중인 가운데 과학기술부는 2025년 상반기께 연구소 부지를 공모할 것으로 예상된다.

정부의 이러한 움직임은 국제핵융합실험로 프로제트에서 주도적인 역할을 하고 치열해지는 선진국 간 핵융합 선점 경쟁에서 뒤처지지 않기 위해선 대규모 연구 인프라 구축을 통해 핵심기술 국산화가 시급하다는 판단에서다.

●연구시설 최적지 나주 꼽히는 이유

인공태양 연구시설 구축의 최적지로 꼽히는 나주는 미래 에너지산업 제도와 기술적 기반을 완성해 나가고 있다.

나주시는 인공태양 8대 핵심기술 중 하나인 핵융합 실증로용 초전도 도체 연구를 선점해 가고 있다. 관련 기술 개발에 필요한 시험설비 구축사업을 2022년부터 한국에너지공대 주관으로 추진 중이며 2027년 가동을 목표로 사업이 순항 중이다.

여기에 앞서 지난 2019년 7월 국가균형발전위원회가 한전공대(현 한국에너지공대·켄텍)설립지원위원회 의결을 통해 켄텍 설립과 연계한 국가대형 연구시설 구축 계획을 확정했다는 점에서도 연구소 설립지로서의 당위성을 갖추고 있다.

탁월한 부지 확장성과 저렴한 부지 매입비, 고속철·공항과의 빠른 접근성, 최상의 교육·의료 편의시설을 갖춘 전국 제1의 혁신도시 정주여건도 연구소 유치의 장점으로 평가받는다.

국가연구시설 구축의 최우선 조건인 지질 안정성 측면에선 단단하고 안정된 화강암질 지반에 최근 20년간 규모 3.0 이상 지진 발생은 0건이었다는 점도 중요한 고려 요소가 될 것으로 보인다.

세계 인공태양 연구를 선도할 전문 연구 인력 충원의 용이성은 가장 큰 장점이다.

2022년 3월 개교한 한국에너지공대는 인공태양 전문 인재 양성을 위한 교육 인프라를 충분히 갖추고 있고 인근의 광주과학기술원(GIST)과 전남대 등에서도 고급인재를 확보할 수 있다.

과학계와 에너지 산업계에선 한국에너지공대에 핵융합 관련 기술 전문과목을 신설 시 한전과 발전자회사와 연계해 다양한 시너지 창출이 가능하고, 더 나아가 집적화된 첨단 비즈니스 과학단지로써의 확장이 가능할 것으로 보고 있다.

윤병태 나주시장은 “나주는 인공태양의 불꽃을 밝힐 최적의 입지 조건을 갖추고 있다”며 “에너지 대전환 시대 나주가 인공태양 연구시설 유치를 통해 인류의 미래를 밝힐 새로운 태양을 준비하고 대한민국을 진정한 에너지 강국으로 우뚝 세우겠다”고 밝혔다