미국 연구팀이 플라스마 핵융합 반응을 통해 투입된 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하는 '연소 플라스마'(burning plasma) 실험에 처음으로 성공, 인공 태양으로 불리는 핵융합에너지 실용화에 새 이정표를 마련했다.

국제학술지 '네이처'(Nature)는 미국 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL) 연구팀이 강력한 레이저를 이용해 물질이 플라스마 상태에서 스스로 가열되면서 핵융합이 일어나 유지되게 하는 데 성공했다면서 이는 핵융합을 지속 가능한 청정에너지원으로 만들기 위한 연구에 새 이정표라고 평가했다.

핵융합 에너지는 우라늄이나 플루토늄 원자핵이 분열할 때 방출되는 에너지를 이용하는 원자력과 달리 중수소와 삼중수소의 원자핵이 플라스마 상태에서 융합할 때 방출되는 에너지를 말한다. 태양과 같은 별이 빛을 내며 에너지를 방출하는 것이 바로 핵융합 반응이다.

그러나, 지금까지 실험실에서 진행하는 핵융합 반응에서는 핵융합을 일으키기 위해 초고온 상태의 플라스마를 만들어야 하는 등 투입되는 에너지의 양이 핵융합으로 발생하는 열보다 훨씬 많은 문제가 있었다.

핵융합을 에너지원으로 사용하기 위해 극복해야 할 중요한 단계가 바로 '연소 플라스마'다.

연소 플라스마는 핵융합 원료인 중수소와 삼중수소 플라스마에 에너지를 가해 일단 핵융합이 일어날 수 있는 상태로 만들면 이후에는 방출되는 에너지를 이용해 자체적으로 핵융합이 지속되는 상태를 말한다.

LLNL 알렉스 질스트라 박사팀은 연구소 내 국립점화시설(NIF)에서 중수소-삼중수소 플라스마가 채워진 캡슐에 강력한 레이저를 쏴 고온·고압을 가하는 방법으로 핵융합을 촉발, '연소 플라스마'를 구현하는 데 성공했다.

이들은 192개의 레이저빔을 중수소-삼중수소가 200㎍ 들어있는 지름 2㎜ 크기의 캡슐에 집중적으로 쏴 내부 온도와 압력이 자체 가열에 의한 핵융합이 일어나기에 충분한 수준까지 도달하게 했다.

수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 핵은 초고온 플라스마 상태에서 융합해 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성된 알파 입자가 되면서 막대한 에너지를 방출한다.

이전 시도들은 레이저빔이 플라스마에 에너지를 축적하는 것을 방해하지 않도록 플라스마의 형태를 제어하는 데 따르는 어려움 때문에 성공하지 못했다.

그러나, 이번 실험에선 더 많은 핵융합 연료를 담고 더 많은 에너지를 흡수할 수 있는 캡슐을 설계해 활용함으로써 연소 플라스마 구현에 성공할 수 있었다고 연구진은 설명했다.

이를 통해 생성된 에너지는 이전 실험에서보다 3배 많은 최고 170 KJ(킬로 줄)로 집계됐다.

질스트라 박사는 핵융합 실험에서 생성된 에너지가 연료 가열에 투입된 것보다 10배 정도 많다고 밝혔다.

그는 "연소 플라스마는 핵융합이 자체적으로 지속될 수 있는 출발점이지만 핵융합을 현실로 만드는 것은 기술적으로 매우 복잡하고 어려운 과제"라며 "이를 경제적 에너지원으로 만들려면 지속적인 투자와 혁신이 필요하며 여전히 갈 길이 멀다"고 말했다.

<연합뉴스>