핵융합을 활용한 미래의 클린에너지 플라즈마

우리는 일상적으로 전기, 난방 등에 필요한 에너지를 대부분 화석연료를 통해 얻고 있으나 화석연료는 무한한 자원이 아니라서 미래에 고갈될 가능성이 크고 1973년과 1978년에 발생된 석유파동과 같은 사건으로 에너지가 가격이 불안해지고 지역 간 충돌로 에너지 보안문제가 발생될 수 있다. 또한 화석연료를 연소하는데 발생되는 이산화탄소 같은 공해물질은 지구온난화와 대기오염 문제를 가속화한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 대체 에너지의 개발이 필요하며 원자력 발전이 대체에너지로 손꼽혔지만 방사능 오염문제 등의 문제로 많은 클린에너지 중 공해도 없고 방사능에도 안전한 플라즈마에 과학자들이 주목하고 있다.

 

플라즈마란 무엇인가

플라즈마는 가스 상태로 일부전자가 이온화되어 양성이온과 음이온, 자유전자로 이루어진 상태로 전기적으로는 중성이나 외부 전기장이나 자기장에 대해 집단적인 행동을 하는 이온화된 가스로 정의 된다. 플라즈마는 온도가 매우 높고 에너지도 크며 원자 안에 붙어있는 양이온과 전자를 떼어내어 플라즈마 상태로 만들기에는 엄청난 에너지가 필요하기 때문에 안정한 지구에서는 일상적으로 볼 수 없는 상태이다. 지구의 자연현상에서 플라즈마 형태를 관찰할 수 있는데 자기장이 강한 극지방에서 태양풍과 자기장이 만나 상호작용 하면서 대기권에 있는 원자와 충돌하는 과정에서 오로라 현상과 함께 플라즈마 상태가 발생하게 된다.

 

플라즈마를 통해 에너지를 얻는 방법

플라즈마를 통한 에너지 생산하는 과정에서는 핵융합 반응 원리를 사용한다. 핵융합 반응은 주로 태양에서 볼 수 있으며 태양은 수소와 헬륨의 플라즈마 상태로 구성된다. 태양은 중력이 아주 강력하여 수소 원자들 사이의 거리가 아주 가까워 2개의 원자핵이 서로 결합하여 헬륨 원자핵으로 변하는 과정에서 많은 열과 에너지가 방출된다. 지구에서는 태양처럼 중력이 강력하지 않아 수소 원자들의 거리를 가까이 하기에는 어려움이 있으나 핵융합 반응을 도와주는 장치를 개발하고 있다. 그 중 하나는 토카막(Tokamak)이라는 장치로 이온화된 가스인 플라즈마를 자기장에 가두고 고온 고압상태를 유지하여 원자핵이 서로 충돌하고 결합하면서 방출되는 에너지로 핵융합 반응을 일으킨다. 토카막 내부에 수소를 넣어서 전자기파로 수소원소들을 가열하면 플라즈마 상태가 되고 1000만℃ 이상의 온도가 되면 원자핵 사이의 거리가 가까워져 태양에서 일어난 것같이 핵융합 반응이 일어나 헬룸 원자와 중성자를 만들면서 엄청난 에너지를 방출하게 된다.

 

플라즈마가 대체에너지로 주목받는 이유

플라즈마는 아직 상용화 되지는 않았지만 현재 연구와 개발을 하고 있는 분야로 플라즈마는 방사능 오염과 같은 문제가 발생되지 않고 고온 고압상태에서 에너지가 만들어져 에너지 밀도가 높다. 또한 필요한 원료인 중수소와 삼중수소는 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 석유 한 방울 나오지 않는 우리나라에서 영구히 쓸 수 있는 에너지가 될 가능성이 있다.