"우리는 내일의 태양을 만들고 있습니다"

태양을 만들려는 인간의 꿈은 어떻게 시작되었나?
상용화에 한 걸음 바짝 다가간 핵융합,
자석에 가둔 태양, 토카막이 밝혀줄 에너지의 새로운 미래

태양은 어떻게 빛을 내는가? 오래전부터 사람들은 그 비밀을 알고 싶었다. 어제도, 오늘도, 몇십 년, 몇백 년, 몇천 년 동안 태양은 뜨겁게 반짝이고 있다. 핵융합은 바로 꺼지지 않는 태양 에너지의 근원을 밝히는 데서 시작했다. 19세기 말 방사선이 등장하면서 원자의 문이 열렸고, 20세기 전반은 핵물리학과 양자역학의 전성기였다. 핵이 어떻게 쪼개지는지 조금씩 알게 되면서, 핵이 하나둘 합쳐지는 과정도 알고 싶었다.

수소가 합쳐져 헬륨이 되었고, 그때 줄어든 질량이 에너지로 바뀌면서 빛을 내고 있었다. 여러 과학자의 어깨 위에서 한스 베테가 이 별빛의 비밀을 밝혔다. 많은 사람이 모여 원자를 쪼개 원자폭탄을 만들었다. 그리고 원자를 합쳐 수소폭탄을 만들었다. 이제 거대한 수소폭탄의 에너지로 집과 공장에 불을 밝히고 싶었다. 소련의 과학자들이 작은 태양을 자석에 가두는 방법을 찾아냈다. ‘토카막Tokamak’이라는 핵융합로가 태어난 것이다.

토카막의 플라스마에는 악마가 여럿 살았다. 막대한 태양의 에너지를 마음대로 쓰고 싶었지만, 악마들은 그 문을 쉽게 열어주지 않았다. 그중 불안정성과 난류는 특히 길들이기가 쉽지 않았다. 그래도 이제 거의 손에 들어왔다. 지금 만들고 있는 국제핵융합로(ITER)와 세계 각국의 연구소, 그리고 최근 몇 년 사이 앞다퉈 성과를 내놓고 있는 젊은 스타트업의 노력과 도전이 빛을 발하고 있는 것이다. 핵융합산업협회Fusion Industry Association가 내놓은 2023년 서베이 자료(https://www.fusionindustryassociation.org/fusion-industry-reports/)를 보면, 막연한 관심의 수준을 넘어 전 세계적으로 7조 원 이상이 이들 기업에 투자되고 있다. 곧 기대 이상의 실적을 내놓을 것으로 전망되고 있다.

핵융합 연구를 시작한 지 채 오십 년이 되지 않은 우리나라는 지난 이십여 년간 실력 있는 연구자들과 꾸준한 투자로 초전도 핵융합로인 KSTAR를 만들었다. 이제는 KSTAR에서 전 세계가 주목하는 놀라운 실험 결과를 연달아 내놓고 있다. 이 책에서는 이런 우리나라 핵융합 연구의 발자취와 앞으로의 미래까지 빠짐없이 살펴본다.

이 책의 1부에서는 한스 베테와 함께 태양이 밝게 빛나는 이유를 찾아 나서며 핵융합의 원리를 소개한다. 이어 엔리코 페르미를 통해 맨해튼 프로젝트와 수소폭탄 개발에 얽힌 이야기를 펼친다. 2부에서는 실제로 존재했던 구소련의 비밀연구소를 배경으로 ‘사고의 용광로’라는 가상의 프로젝트를 통해 핵융합을 실현할 장치인 ‘토카막’을 만들고 완성해 가는 과정을 보여준다. 이곳에서 독자들은 단순히 프로젝트의 관찰자가 아니라 실제 연구원의 한 사람으로 당대의 구소련 과학자들과 그들의 문제를 풀어 볼 것이다. 3부는 독일의 막스플랑크 연구소와 ITER를 비롯해 전 세계의 주요 핵융합 연구소를 돌아보며 토카막의 발전 과정을 살펴볼 것이다. 이어 4부에서는 토카막에서 전기를 생산하는 과정과 핵융합 에너지 상용화에 남아 있는 여러 난제를 들여다볼 것이다. 5부는 KSTAR를 중심으로 우리나라의 핵융합 연구의 역사를 되짚어 볼 것이다.

김재호 기자 kimyital@kyosu.net

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