美·日 등 선진국서 연구개발 가속화

레이저 핵융합 연구는 70년대 이후 미국의 LLNL, 로체스터 대학의 LLE와 일본 오사카 대학의 ILE에서 주로 수행됐다.
LLNL의 거대 레이저 시설인 Nova의 0.35㎛ 레이저 출력은 40kJ이며 펄스폭이 1nsec 정도임을 감안하면 순간적으로 미국 전체의 발전량보다 많은 40TW의 매우 큰 출력인 셈이다.
최근 미국은 기존의 Nova의 45배나 되는 출력 1.8MJ의 NIF(National Ignition Facility)를 LLNL 주관으로 2002년까지 12억 달러를 들여 건설하기로 결정하고 이미 지난 5월 착공했다.
NIF는 레이저에 의한 ICF를 실현하는 장치로서 핵융합발전 추진 타당성을 결정하는데 필요한 정보를 제공할 수 있어 레이저 핵융합발전의 실현을 가속화 할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
외국에서 이와 같은 거대 핵관련 연구가 국민적 호응 하에 추진되고 있는 배경에는 CTBT 체결하에서도 NIF의 부분적인 실험만으로 기존 핵무기의 안전성, 신뢰성 및 성능을 확보할 수 있고 어느 정도의 관련기술 수준을 유지할 수 있기 때문이다.
또한 새로운 미래 에너지인 핵융합 에너지를 활용할 수 있는 기반을 마련하는데 그 이유가 있다.
　NIF는 국가 안위 및 에너지 확보 이외에도 부가적으로 기초과학 및 반도체산업, 광산업, 생명공학 등의 산업경쟁력을 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이에 따라 앞으로 NIF 건설에 편승해 ICF(Inertial Confinement Fusion)에 의한 전력발전 연구가 급속히 추진될 것으로 예상되고 있다.
현재 미국에서 계획중인 1,000MW급의 발전소 건설에는 10Hz로 동작하는 NIF만한 시설이 필요하며 이에 필요한 레이저 매질에 대한 연구도 이미 수행되고 있다.
일본의 경우 91년부터 오사카대학의 ILE가 추진중인 핵융합발전소 KOYO 계획은 처음부터 레이저 핵융합발전에 필요한 고반복 동작을 목표로 12Hz로 발진하는 12% 고효율의 다이오드 레이저 여기형 고체레이저를 이용하는데, 펄스당 출력은 4MJ이고 4개의 핵융합로를 구동해 총 3,400MW의 전기발전을 할 계획으로 2030년 건설을 목표로 하고 있다.
일본의 ILE에서 추정한 레이저 ICF 발전소 건설비용과 전력단가는 PWR과 같은 수준으로서 토카막의 건설비나 발전단가보다 1/2 이하로 낮은 것으로 나타났다.
레이저 핵융합 연구에서 레이저 핵융합발전으로 가는 분수령은 고반복으로 동작하는 고효율의 다이오드 레이저 여기형 고체레이저이다.
다이오드 레이저 여기형 고체레이저는 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 소형화에도 크게 기여해 핵융합발전의 경제성을 높일 수 있다.
미국은 LLNL에서 고체레이저 여기에 필요한 고출력 다이오드 레이저를 90년대 초부터 개발했다.
초기에는 레이저 핵융합연구가 고출력 다이오드 레이저의 개발을 선도했으나 이제는 산업적 활용 증대에 따른 고출력 다이오드 레이저의 성능, 수명 및 가격이 향상됨에 따라 반대급부적으로 레이저 핵융합의 경제성 및 기술력의 향상이 기대되고 있어 2030년 이전의 핵융합 발전소 건설 실현성을 높여 주고 있다.
최근 일본 ILE는 국제학회에서 토카막과 ICF를 공개 평가할 국제적인 위원회 구성을 제안했다.
　또한 미국의 경우 96년 9월 승인된 ICF 예산은 1억3,200만 달러의 NIF 건설비를 포함, 3억3,600만 달러인데 반해 토카막 예산은 정부 신청액 2억5,500만 달러중 4,000만 달러가 삭감되고 97년에 ITER이 추진되지 못하면 프린스톤 대학의 토카막 실험을 중단하도록 강제조항을 명시하기도 했다.
이와 관련 ICF가 ITER를 대체할 것이라는 관측이 나오고도 있다. 이런 이유로 레이저 핵융합기술은 50년 이내 활용될 수 있는 기술로 선진국들의 연구에 관심이 모아지고 있다.


세계 연구개발 동향
미국 등 선진국 연구개발 적극적

미국의 로렌스리보머어 국립연구소는 세계 최대의 레이저에 의한 핵융합의 자기점화를 목표로하는 NIF(National Ignition Facility)를 건설 중이다.
이 시설은 야구장 크기의 시설로 강력한 레이저 광선을 한 점에 집중시켜 핵융합 반응을 일으키기 위한 것이다.
이 레이저에서 나오는 빛의 순간 세기는 500조 와트에 이르고 한 개의 펄스에 포함된 에너지는 180만 Joule이다.
이 시설의 건설에는 12억 달러가 소요될 것으로 예상되고 있으며 2003년 완성을 계획하고 있다.
이 시설에서는 강력한 레이저 광선 192개를 한 점에 집중시켜 태양이나 별에서 일어나고 있는 것과 같은 핵융합 반응을 일으키게 된다.
핵융합 연구시설로서는 일본이나 미국, 유럽에 도너츠형의 공간 중심부에 연료를 강력한 자석으로 가두어 넣고 핵융합 조건을 탐색하는 토카막이 있는데 NIF는 점화에너지를 레이저 광선에 주어 핵융합 반응으로 나오게 되는 에너지로 반응을 잠시동안 지속시키는 것을 겨냥하고 있다.
로렌스리버모어 국립 연구소는 이와 같은 시설의 성과를 핵융합 발전 외에 우주과학 연구에도 이용하려고 계획하고 있고 미국이 현재 보유하고 있는 핵병기의 안전성이나 신뢰성 데이터 획득을 위한 모의실험에도 사용할 계획이다.
한편 프랑스에서도 같은 목적으로 대규모 레이저 핵융합 장치(Mega-Joule)를 개발하고 있으며 일본 오사카 대학, 중국 상해 정밀과학기계연구소, 영국 러더포드 애플턴 연구소 등도 경쟁적으로 레이저 핵융합 장치를 개발하고 있다.
미국과 프랑스가 앞으로 핵실험을 중지하겠다고 공헌하고 있는 것도 이러한 장치를 이용해 핵무기 실험을 대체할 수 있기 때문으로 분석되고 있다.


이종민 단장〈한국원자력연구소 미래원자력 기술개발단〉
“레이저 핵융합기술 국내 연구능력 충분하다”

“핵융합을 위한 레이저 개발은 아직 국내에서는 공식적으로 진행되고 있기 않습니다. 그러나 고출력 레이저 기술을 확보하게 되면 이것을 핵융합에 이용하는 것은 충분히 가능합니다.”이종민 미래원자력 기술개발단장은 국내에서도 레이저를 이용한 핵융합기술의 연구가 진행돼야 한다고 강조한다.
“현재 세계적으로는 레이저 핵융합기술이 상당수준에 올라와 있습니다. 레이저 핵융합기술은 토카막 방식의 핵융합기술보다 늦은 80년대 들어 시작했지만 지금은 기술적으로 비슷한 수준에 와 있습니다. 특히 외국에서는 최근 레이저 핵융합기술개발에 투자를 늘리는 등 개발에 박차를 가하고 있습니다.”이단장은 선진국의 사례를 들어 국내에서도 연구가 본격화되면 레이저 핵융합기술이 일정수준에 올라 설 수 있을 것으로 내다보고 있다.
“국내의 경우 연구를 시작할 수 있는 전문인력을 가지고 있습니다. 충분한 기반을 갖추고 있는 셈입니다. 투자만 이뤄지면 우리도 선진국처럼 이 분야에서 기술개발을 이룩할 수 있는 충분한 잠재력을 가지고 있습니다.”
“일본에서는 반도체레이저를 이용, 고반복률을 가질 수 있도록 하는 연구가 진행됐습니다. 우리도 반도체레이저 기술이 산자부의 중기 거점사업으로 추진되고 있습니다. 반도체 레이저를 이용하면 계속적인 핵융합이 가능해 경제성을 확보할 수 있습니다.”
이단장은 핵융합기술의 보다 나은 발전을 위해서도 레이저 핵융합 발전기술이 진행돼야 한다고 말한다.“핵융합기술은 현재 토카막 방식의 핵융합기술 프로젝트가 진행되고 있습니다. 그러나 외국에서도 이와 함께 레이저 핵융합기술이 본격적으로 추진되고 있어 국내에서도 이러한 시도가 필요하다고 봅니다. 또한 레이저를 이용한 핵융합기술은 그 파급효과도 커 전반적인 기술발전에도 크게 기여할 수 있을 것이라 생각합니다.”

<변국영 기자>