ITER 토카막 크기

ITER는 도넛 모양의 플라즈마를 가두어 핵융합 반응을 일으키는 토카막 반응로로 현재 남부 프랑스 도시, 카다라쉬에서 제작되고 있다. 한국을 포함해, 유럽, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인디아가 참여하고 있으며, 유럽 연합에 포함된 나라의 개수를 합하면 35개국이 참여하고 있다. ITER는 애시당초 International Thermonuclear Experimental Reactor의 약자였다, 라틴어로 "the way"를 뜻함을 그 후에 알아차렸다고 한다.  1985년 미국과 소련의 핵에너지 평화적 사용을 위해 시작트 프로젝트이다. 산전수전을 겪으면서, 2013년부터 토카막 장치 건물을 짓기 시작했고, 2020년부터 토카막 자체를 만들기 시작했다. ITER는 2025년경에 처음으로 이중수소를 이용한 플라즈마를 발생시킬 예정이고, 실제로 중수소와 삼중수소를 이용한 핵융합 플라즈마는 2035년경에 발생될 예정이다. 지금으로부터 15년정도 남았다. https://en.wikipedia.org/wiki/ITER#:~:text=ITER%20will%20be%20the%20largest,energy%20for%20future%20electricity%20generation.

ITER - Wikipedia

ITER 실험의 목적은 핵융합 반응을 일으켜 플라즈마를 뜨겁게 만들기 위해 입사한 출력보다 더 많은 핵융합 출력을 뽑아낼 수 있음을 보여주는데 있다. 현재 목표는 50 MW로 플라즈마를 데워, 핵융합 플라즈마 상태로 만들어, 입사한 출력보다 10 배의 핵융합 출력 즉, 500 MW를 뽑아낼려고 하며, 이를 5분동안 지속하려고 한다.  과학자, 공학자들은 Q라는 심볼을 사용해 Q= 핵융합 출력/입력 가열 =500 MW/ 50 MW = 10 이라는 파라미터를 사용한다. 

 

물론 여기서의 Q는 플라즈마를 기준으로 파워 입출력으로, 실제 토카막이 전기생산을 하기 위해서는 Q 는 30 이상이 되어야 한다. 이는 가열 장치 50 MW 를 만들기 위한 효율이 100%가 아니기 때문이다. 이 부분이 흔히 간과되는 부분으로 주의가 필요하다. 즉 Q에는 두 가지 정의가 있을 수 있는데 (물리적 Q 와 공학적 Q), 이 둘을 구분하여야 하는 것이다.  흔히 대중에게 광고될 때 이 두가지 Q가 섞여지며 혼란을 흔히 일으킨다. 여하튼 ITER의 목표는 물리적 Q가 10이 되는 플라즈마를 만드는데 있으며, 굳이 공학적 Q를 따지면, ITER장치 자체는 전기를 먹는 실험 장치임이다. 

 

50 MW가 얼마만큼 정도 되는 파워냐? 삼성 55 인치 LED 티비 전력 소모량이 약 60 와트라고 한다. 그러면 티비 83만대 킬 수 있는 파워이다.  500 MW 정도의 핵융합 파워를 전기로 100%바꿀수 있으면, 보통 화력 발전소 한 호기의 전력 생산량이다. 일례의 충정도 당진에 있는 당진 화력 발전소는 총 10기의 유연탄 발전 설비가 있는데, 제 1~8호기까지는 각각 500 MW의 전기 에너지를 생산한다. ITER같은 경우, 만약 전기 생산이 가능하다는 상상을 해보면, 열 효율 30%정도를 고려해보면 150 MW 정도의 전기 출력이 나올것이다. (물론 ITER는 여전히 전기를 먹는 장치일 것이다. 물리적 Q를 더 높여야 발전소에 들어가는 총 전기 사용량 보다 더 많은 핵융합 출력이 나와, 전력 발전시설로 의미를 가질 것이다. 다시 한번 말하자면, ITER는 여전히 전기를 먹는 실험 장치이다.)

 

ITER는 핵융합 반응을 보이는 것 이외에도 ITER는 다른 몇가지 중요한 목표가 있다. 

• 삼중 수소를 만들 블랑켓 실험: 사실 이것도 매우 중요하다. 
• 핵융합 발전소에 사용할 공학 (진공 시스템, 초전도 자석, 플라즈마 제어 시스템) 기술 개발 및 적용
• 핵융합 토카막의 안전성 입증 (예 방사능)

아직까지 지구 어느곳에서도 이러한 목표를 가지고 실험한 토카막 장치는 없다. 그런데 ITER는 정말 크다. 토카막이 들어가는 건물의 높이는 지상 지하 포함 73 meter라고 한다 -_-, 즉 아파트 한 층 높이를 3미터라고 하면 25층 높이다. 허걱.

https://www.iter.org/FactsFigures

 

토카막 장치 자체의 높이는 17 meter (아파트 한 층 높이를 3 미터라고 하면 약 6층 높이 -_-), 너비는 9 미터, 즉 약 10미터가 된다. 핵융합 플라즈마 자체의 부피는 830 세제곱미터, 약 1000 세제곱 미터, 즉, 가로, 세로, 높이가 10 m인 정육면체를 생각하면 된다.  현재 존재하는 가장 큰 토카막 실험장치보다 8~10배정도 더 크다 -_-. 왜 이렇게 클까? 이는 플라즈마가 열, 즉 에너지를 가두는 능력이 크면 클수록 좋아지기 때문이다. 직관적으로도 플라즈마가 만드는 핵융합 출력은 부피 (R^3) 비례 할 것이고, 핵융합으로 생긴 열이 빠져나갈려면 도넛 모양 플라즈마 표면적 (R^2) 을 통해 빠져 나가기 때문에, 플라즈마를 크게 만드면 만들수록, 즉 플라즈마 지름 (R)이 커질수록 열을 잘 보관할 것 이다. 

 

ITER 건설과 운용 비용은 정확한 데이터가 없으니, 약 50조원이 추청된다고 한다 https://en.wikipedia.org/wiki/ITER. 참고로, 50조원은 2020년 한국 국방 예산과 맞먹는다. 거대과학/공학 프로젝트라 그런지 프로젝트 개발 과정에서도 수정, 지연이 많아 비용이 계속 커지고 있다. 2013년경 당시 6조원정도 추정되었으나 현재는 30~50조원 정도 비용이들 것 이라고 한다. 2018년 당시 미국 에너지성은 건설비용에만 ~65조원이 들 것이라 추정했으며, 당시 ITER 조직은 ~25조원이라고 반박하였다. https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.2.20180416a/full/ 또한 35개국에서 부품 조달 품목에 대한 비용 산출 방식이 다르고, 이 비용또한 ITER에 보고 되지 않는다고 애매한 입장을 취했다. 미스테리이긴하다. 어떻게 10배의 차이가 발생하는지... 위 링크에 따르면, 일단 예비비를 책정함에 있어 각 국마다 다르다고 하다. 미국은 예비비를 50% 정도를 두는 반면, 한국, 중국, 일본은 예비비 책정이 전혀 없다고 한다.  

 

일단 15년동안에 에 50조원이 든다고 하면 일년에 총 3조가 들어간다. 한국 정부 예산안이 2020년에 ~600조 된다고 하니, 0.5%에 해당한다. 산업부 총 예산이 11조 정도 되며, 신재생 에너지 관련 예산은 ~1.6조원된다고 하니, 한국이 단독으로 3조원 정도 감당할 수 있는 수치이다. 현재 한국 ITER분담금은 10%정도이니 연간 0.3조원 정도이다. 대전에 있는 KSTAR 실험장치 총 건설비용은 0.3조원, 즉 3000억원이 들었다고 한다. 2012년 한국 핵융합 에너지 관련 예산은 0.15조원, 약 1500억원이라고 한다. 미국의 경우 최근 바이든 대통령이 2021년에 기후변화 대처 예산으로 36조원을 요구했다고 한다. 따라서 미국에선 미국 총 예산 대비 핵융합 예산이 더 작을 것이다. 

 

위에 나온 것처럼, 한국 신쟁생 에너지 관련 예산이 총 1.6조원이니, 핵융합 시설 한 곳에 3조를 감당하면 형평성 문제가 불거지긴 할 수 는 있겠지만, 시설 집약적 연구이기 때문에 한국이 마음을 먹으면 충분히 감당할 수 있는 비용이다.  시설 집약적 연구 시설을 과연 우리나라가 투자할 만한 것인가? 여기서 부터는 가치 판단의 문제라, 전문가 비전문가를 떠나 누구나 의견을 가질 수 있을 것이다. 

 

다만 한가지 주지할 사실은 현재 핵융합 연구 동향은 고온 초전도 자석을 써서, ITER보다 작은 토카막을 설계, 운영할려는 계획이 있다는 것이다. 미국의 경우 민간 투자를 받아 SPARC, ARC, 영국은 STEP이라는 스페리칼 토카막을 설계 운영하려 하고 있다.