太陽 나이는 46億 살이다. 꽤 많아 보이지만, 恒星으로 치자면 熱情的으로 한창 일할 時期라고 볼 수 있다. 하지만 太陽 亦是 永遠히 버틸 수는 없다. 아마 63億 살 程度까지는 訂正하겠지만, 그 後부터는 漸漸 밝아지고 커져서 마지막에는 漸次 식어갈 것이다. 勿論 커지는 過程에서 地球를 威脅할 可能性도 있다. 太陽이 사라지면 우리는 어떻게 될까. 아마 차갑게 식은 行星 表面에서 오들오들 떨다 모든 것을 잃고 무너질 테다.

人工太陽이라는 單語나 硏究 結果를 種種 미디어에서 接하면 或是 언젠가 사라질 太陽을 代替하기 위해 만드는 건 아닐까라고 생각하는 사람도 있을 것이다. 人工臟器는 人間 臟器를 代替하고, 人工呼吸은 스스로 할 수 없는 呼吸이 자연스럽게 이뤄질 수 있도록 도와주니 말이다. 하지만 人工太陽은 1億5000萬㎞ 떨어진 곳에서 밝게 빛나는 太陽을 代身하려고 만드는 것이 아니다. 當然히 方法 自體도 쉽지 않겠지만, 目的 自體가 太陽을 代替한다기보다 太陽으로부터 나오는 에너지를 地球에서 얻으려는 것이 더 크다.

于先 核反應으로 에너지를 얻는 人工太陽이 무엇인지 제대로 알려면 代表的인 核反應人 核分裂과 核融合을 確實히 짚고 넘어가야 한다. 核分裂은 우리가 흔히 알고 있는 原子力發電의 原理다. 우라늄이나 플루토늄 같은 무거운 原子核에 中性子를 衝突시키면 가벼운 原子核 2個로 分裂되고, 이때 에너지가 나온다. 反對로 核融合은

2個의 原子核이 融合돼 더 크고 무거운 原子核을 만드는 反應을 말한다. 같은 原理의 反應이 太陽에서도 일어나고 있기에 이렇게 만들어진 結果物을 人工太陽이라고 부른다. 神奇하게도 核分裂과 核融合 모두 結果物의 質量은 恒常 以前보다 작으며, 이렇게 줄어든 質量은 아인슈타인의 有名한 公式(E=mc2)을 따라 에너지로 轉換된다. 빛의 速度가 워낙 빠르다 보니, 아주 작은 質量이라도 어마어마한 에너지로 等價交換돼 나타나는 것이다.

核分裂을 通한 原子力發電은 正말 훌륭한 에너지 源泉이다. 우리가 使用하는 電氣에너지 가운데 30% 以上은 原子力發電에 依存하고 있으며, 溫室氣體를 거의 排出하지 않아 地球溫暖化에 미치는 影響도 적다. 하지만 核分裂 過程에서 에너지를 얻기 위해 우라늄에 中性子를 衝突시키면, 結果的으로 分裂된 生成物들은 不安定한 狀態에서 持續的인 崩壞 過程을 거치며 放射線을 내뿜는다. 當然히 잘 管理된 施設에서 放射線이 排出되는 건 豫測 可能한 狀況이라 큰 問題가 없다. 하지만 日本 후쿠시마 原子力發電所 事故처럼 自然災害로부터 이어지는 大型 事故는 人類에게 엄청난 被害를 준다. 旣往이면 放射能이 排出되지 않으면서도 充分한 全力을 만들어내는 에너지源을 찾아내는 方法을 끊임없이 苦悶할 수밖에 없는 것이다.



多幸히 映畫에서는 이미 現實처럼 다뤄진 적이 있다. 바로 마블 英雄물에 登場하는 아이언맨이다. 그의 가슴 附近에는 無限에 가까운 에너지를 만들어내는 아크 原子爐가 달려 있는데, 여기에 쓰인 技術이 바로 核融合, 人工太陽이다. 科學者들은 地球에서 人工太陽을 만들어내려고 努力 中이며, 成功한다면 放射能에 對한 問題 없이 엄청난 에너지를 얻을 수 있다. 勿論 簡單한 일이 아니라는 것까지는 굳이 說明하지 않아도 充分히 理解되리라.

不可能한 想像 實現하기 위한 現實的 苦悶

初盤부터 엄청난 好評을 받았으나 龍頭蛇尾로 끝나버려 如前히 視聽者들의 怨聲을 사고 있는 ‘王座의 게임’이라는 판타지 드라마가 있다. 登場人物들의 훌륭한 演技力과 現實的 映像美는 스크린을 華麗하게 수놓았지만, 興行의 核心 要素는 무엇보다 緻密하고 꼼꼼한 줄거리였다. 複雜한 敍事構造를 만들어내는 게 可能했던 理由는 탄탄한 原作小說이 뒷받침됐기 때문이다. 1996年 처음 나온 原作 판타지 小說 題目은 ‘얼음과 불의 노래’다. 그리고 여기에 놀랍게도 우리가 꿈꾸던 核融合을 實現할 수 있는 現實的인 아이디어가 存在한다.

放射性同位元素人 우라늄 代身 우리에게 익숙한 水素를 結合해 헬륨을 만든다는 發想은 꽤 오래前부터 있었다. 여기에 必要한 重水素 元子는 多幸히 平生 쓸 만큼 바다에 있으며, 바닷물 1t으로 만든 核融合 에너지는 石炭이나 石油 270t으로 만들어낸 에너지와 같을 程度로 效率이 높다. 問題는 核融合 反應이 일어나는 太陽과 같은 環境을 地球에서 만들어내는 일이다. 서로 너무 싫어하는 原子核들을 融合시키려면 最小限 두 가지 條件이 必要하다. 普通 固體를 아주 높은 溫度로 加熱하면 液體와 氣體를 거쳐 플라스마라는 狀態가 되는데, 이때가 가장 激烈하게 움직이는 瞬間이라고 봐도 좋다. 이렇게 核들이 서로 부딪칠 수 있을 程度로 活潑히 움직이게 만들거나, 아니면 아주 좁은 房에 가둬 서로 짓누를 수 있도록 높은 壓力을 加해야 核融合이 일어난다. 質量이 대단히 큰 太陽은 높은 壓力 德分에 中心部 溫度가 1500萬 度에만 到達해도 核이 融合할 程度가 된다. 質量이 작은 地球에서는 壓力이 훨씬 弱하기 때문에 그보다 훨씬 높은 溫度가 必要하다.

또 다른 重要한 問題는 어디에 둘 것인지다. 核融合이 일어날 수 있는 뜨거운 溫度는 維持하되 周邊 環境이 버틸 수 있어야 技術的으로 使用이 可能하다. 韓國 硏究者들은 2007年 讀者 開發에 成功한 韓國型 核融合 硏究로 ‘KSTAR(케이스타)’를 통해 이를 試圖하고 있는데, 여기에선 世上에서 가장 뜨거운 物質이 가장 차가운 그릇에 담겨 아주 가까운 距離를 두고 共存한다. KSTAR 裝置 內部에서는 1億 度의 超高溫 플라스마가 發生하며, 플라스마를 가두는 强力한 磁氣場을 만들어내는 超傳導磁石은 零下 269度 狀態가 된다. 眞正한 얼음과 불의 노래가 흘러나오는 것이다.

좀 더 仔細히 理解하기 위해 도넛 模樣의 토카막(tokamak) 裝置를 떠올려보자. 內部는 眞空 排氣 裝置로 空氣를 完全히 빼내 宇宙와 비슷한 極度의 高眞空 狀態로 만들고, 裝置 外部의 超傳導 코일을 利用해 토카막 內部에 아주 센 磁氣場을 形成한다. 그리고 안에 가스를 집어넣어 플라스마 狀態를 만든 뒤 核融合 反應을 일으켜보는 것이다. 複雜한 外部 加熱 裝置를 통해 1億 度까지 加熱하면 內部에서 플라스마를 形成한 粒子들이 서로 融合 反應을 하기 때문에 核融合 反應을 제대로 實驗할 수 있다. 韓國 硏究陣 亦是 수많은 加熱 裝置를 實驗한 끝에 플라스마 溫度를 1億 度까지 加熱해냈고, 以後 無慮 30秒 동안 維持하는 데 成功했다. 이제 올해는 50秒까지 維持하며 運轉하기 위해 熱心히 準備 中이다.

正말 人工太陽에서 電氣 얻을 수 있을까

얼음과 불의 노래를 부르고자 科學者들은 宏壯히 挑戰的인 裝置들을 繼續 開發했다. 플라스마 溫度를 1億 度까지 높이기 위해 두 가지 加熱 裝置를 만들었다. 그中 하나는 日常生活에서 흔히 使用하는 전자레인지와 비슷한 原理로 돌아가는 플라스마 加熱 裝置다. 核融合 裝置 內部에 있는 플라스마에 電磁氣波의 一種인 마이크로파를 發射해 電子를 꼼꼼히 골라서 加熱하는 原理다. 다른 하나는 粒子를 빠른 速度로 올린 뒤 中性化해 高速 에너지를 核融合 裝置 內部의 플라스마와 衝突시키는 方法으로 加熱하는 中性 粒子 빔 加熱 裝置다.

차가운 超傳導磁石을 만들 때는 冷却에 主로 쓰이는 液體 헬륨을 利用한다. 헬륨 分配 裝置를 통해 超傳導磁石 內에 液體 헬륨을 精巧하게 傳達하고 아주 낮은 溫度를 維持한다. 또한 病院에 가서 몸이 아프면 醫師가 엑스레이 寫眞이나 聽診器 소리 等으로 診斷하는 것처럼, KSTAR에도 類似한 診斷 裝置가 存在한다. 겉으로는 裝備가 돌아가는지 或은 어떤 狀況인지 全혀 알 수 없기에, 2D 映像으로 플라스마를 撮影해 內部에서 어떤 일이나 現象이 일어나는지를 確認할 수 있다. 甚至於 KSTAR는 많은 部分에서 韓國 企業들의 獨自的인 硏究 成果가 反映돼 結果物이라 國際的으로도 大韓民國 技術力이 認定받고 있다.

向後 地球의 에너지 問題를 解決할 可能性과 犯接하기 어려운 難度라는 點 때문에 韓國을 包含해 世界 7個國이 모여 KSTAR와 形態, 模樣이 비슷한 超傳導 토카막 硏究 裝置를 프랑스에 짓고 있다. KSTAR 裝置보다 가로와 세로, 높이가 各各 3倍씩 늘어나 부피가 27倍인 토카막이 2025年 完成될 豫定이다. KSTAR 裝置와 重要한 聯關性을 가진 데다 거의 類似한 模樣이라, 아마 本格的으로 稼動되기 始作하면 韓國 硏究者들이 이룬 成果들을 바로 活用할 수 있을 것으로 보인다. 萬若 國際核融合實驗爐(ITER)에서 實質的인 核融合 發展이 可能하고, 充分히 效率的이면서 安定的으로 運營할 수 있다는 檢證을 成功的으로 마치면, 그다음은 核融合發電所를 지어 實生活에서 바로 쓸 수 있는 電氣를 만드는 段階다. 아직은 核融合에 依해 플라스마가 만들어내는 熱로 電氣를 生産하진 못한다. 이를 解決하기 위해 플라스마에 投入되는 것 以上으로 얼마나 많은 열에너지가 放出되는지 最初로 確認하는 示範 核融合發電所(DEMOnstration Power Plant·DEMO)도 準備하고 있다.

過去에는 敢히 똑바로 바라보지도 못했던 太陽의 一部分을 이제 地球에서 만들어내는 時代가 올지도 모른다. 우리가 保有한 技術들을 綜合的으로 具現해 正말 人工太陽으로부터 電氣를 얻을 수만 있다면 人類에게 가장 重要한 에너지 問題를 單숨에 解決할 수도 있다. 勿論 極低溫과 超高溫이 共存하는 狀況처럼 도무지 떠올릴 수 없는 아이디어로 수많은 問題를 解決해나가야 한다. 두려울 理由는 없다. 이미 우리는 世上에 存在하지 않던 얼음과 불의 노래를 만들어 부르며 끝없이 想像할 수 있는 可能性을 保有한, 宇宙에서 가장 특별한 存在다.

_{軌道는…
연세대 天文宇宙學科 學部 및 大學院을 卒業하고 韓國天文硏究院 宇宙監視센터와 연세대 宇宙飛行制御硏究室에서 勤務했다. ‘軌道’라는 藝名으로 팟캐스트 ‘課長窓’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 進行 中이며, 著書로는 ‘軌道의 科學 虛勢’가 있다.}