인공 태양

'인공태양 상용화' '우주 암흑에너지 규명' 과학난제 해결 도전한다

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인공태양 상용화, 암흑에너지 규명 등 과학난제 해결에 도전하는 연구개발(R&D)이 시작된다.

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과학기술정보통신부는 과학난제도전 융합연구개발사업의 2021년도 신규 과제를 선정, 3개의 선도형 융합연구단이 공식 출범한다고 밝혔다.

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과학난제사업은 그동안 해결하지 못한 과학난제를 기초과학과 공학의 융합연구로 해결하는 R&D 지원 사업이다. 올해는 △소형 구형토카막(ST)핵융합메타웨어 △중력파우주 △표적신경회로재생 연구단을 선정, 5년간 각각 총 90억원을 지원한다.

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ST핵융합메타웨어 연구단은 핵융합 플라즈마 난제를 해결, 2050탄소중립을 위한 인공태양 발전소 구축을 현실화한다는 목표다. ST는 핵융합 반응에 필요한 플라즈마를 자기장을 이용해 가둬두는 구 형태의 장치다. 이번 연구는 차세대 디지털트윈 구현 및 검증(1단계), 고성능 컴퓨팅 기반 가상 핵융합로 구축(2단계)으로 구분해 진행한다. 이를 통해 단기간·저비용으로 소형 ST 핵융합 발전로 기반을 확보한다. 성공하면 답보상태에 있는 핵융합분야에서 혁신을 이끌 수 있는 과학기술 성과를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

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중력파우주 연구단은 다중신호 천문학과 인공지능을 활용해 허블상수를 정밀하게 측정하고 암흑에너지의 성질을 규명한다. 허블상수는 은하의 속도와 거리 사이의 관계를 나타내는 비례상수로, 암흑에너지와 밀접한 상관관계가 있다. 암흑에너지는 우주의 가속팽창을 설명하는 핵심 개념이며 아직 정체가 밝혀지지 않은 난제 영역이다.

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이번 연구에서는 7차원적 망원경(7DT)을 개발해 중성자별과 블랙홀 충돌에서 발생하는 중력파와 다양한 파장의 전자기파를 관측(다중신호 천문학)하고 통계분석(인공지능)한다. 연구단은 관측데이터를 통해 허블 상수의 정밀도를 높이고, 주요 매개 변수 측정을 통해 암흑에너지 성질을 규명할 계획이다.

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표적신경회로재생 연구단은 도파민 신경망 재건 플랫폼을 구축, 신경세포의 소실로 인한 난치성 신경 질환 극복을 목표로 한다.

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신경장애는 대체 또는 재생을 위한 다양한 치료법 개발을 시도하고 있지만 손상된 신경과 신경망의 완전한 회복은 난제로 남아있다.

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<신경망 재건 과정>

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연구단은 뇌 신경망 형성을 위해 줄기세포 등에 자성을 부여하고 제어가 가능한 멀티봇을 개발해 실제 신경 조직과 동일한 수준의 도파민 신경회로망 재건(1단계), 전임상시험을 통한 안전성·유효성을 검증(2단계)한다.

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신경망 재건 기술을 통해 파킨슨 운동장애 등의 뇌질환 치료의 새로운 패러다임을 주도할 수 있을 것으로 기대된다. 생명과학 및 의료서비스 분야의 성장을 위한 핵심 원천기술이 될 가능성도 높다.

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이창윤 과기정통부 기초원천연구정책관은 “혁신 연구성과는 실패를 두려워하지 않는 과감하고 도전적인 연구에서 창출되고 있다”며 “과학난제사업을 통해 어렵기 때문에 도전할 가치가 있는 과제를 발굴·지원함으로써 난제 해결을 위한 융·복합 연구가 촉발될 수 있는 기반이 조성될 것”이라고 말했다.

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<2021 과학난제도전 융합연구개발사업 선정과제>

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공정률 73% 넘어선 '땅 위의 인공태양'

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▲ 프랑스 카다라쉬의 국제핵융합실험로(ITER) 건설 현장. 지름 28m, 높이 24m의 초대형 핵융합로(토카막)가 들어설 본관의 내부 모습이다. /사진=송경은 기자

프랑스 남부 마르세유에서 북동쪽으로 60㎞가량 떨어진 카다라슈. 이곳에는 세계 최대 규모의 과학 프로젝트인 '국제핵융합실험로(ITER)' 본부가 있다.

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ITER는 무한한 태양에너지의 근원인 태양 중심의 핵융합 반응을 인공적으로 일으켜 전력을 얻는 핵융합에너지를 개발하기 위한 실험장치다. ITER가 '땅 위의 인공태양'으로 불리는 이유다.

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ITER 본부 앞에는 프로젝트를 공동 추진하는 유럽연합(EU)과 한국, 미국, 러시아, 일본, 중국, 인도 등 7개국 국기가 나란히 펄럭이고 있었다. 안전장비를 착용한 뒤 차에서 내려 10여 분을 걸어 들어가자 축구장 60개 규모(42만㎡)의 거대한 건설 현장이 눈앞에 펼쳐졌다.

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기체 저장탱크를 지나 들어선 본관에선 지름 28m, 높이 24m의 초대형 핵융합로가 설치될 구조물을 한창 건설하고 있었다. 층마다 원형의 둘레를 따라 각종 실험기기와 진단장치를 설치하기 위한 통로가 나 있는 모습은 고대 콜로세움을 연상케 했다.

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▲ ITER 건설이 한창인 본부 입구 쪽에 태극기를 포함한 7개 참여국의 국기가 나란히 서 있는 모습. /사진=송경은 기자

핵융합은 수소(H)나 헬륨(He)같이 가벼운 두 원자핵이 충돌해 에너지를 방출하며 하나의 무거운 원자핵이 되는 반응이다. 태양 중심에선 주로 수소 원자핵 2개가 만나 헬륨 1개가 되는 핵융합 반응이 일어난다.

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핵융합 발전은 이때 나오는 고에너지 중성자의 열을 이용해 발생시킨 증기로 터빈발전기를 돌려 전기를 생산한다. ITER는 온도 대비 반응 효율이 높은 중수소(D)와 삼중수소(T) 간의 핵융합 반응을 일으키는 장치다.

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중수소 1g과 삼중수소 1.5g이면 석탄 20t과 맞먹는 전력을 생산할 수 있다. 이는 한 가정이 80년간 사용할 수 있는 양이라는 게 전문가들의 설명이다.

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▲ 핵융합에너지의 발전 원리. <자료 제공=한국핵융합에너지연구원>

태양은 강한 중력으로 수많은 입자들을 중심에 잡아두기 때문에 핵융합 반응이 매우 잘 일어난다. 반면 그보다 중력이 약한 지구에서 핵융합 반응을 자연에서 일어나게 하는 것은 거의 불가능하다.

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ITER는 중력 대신 자기장을 이용해 도넛 모양의 진공용기에 입자를 가두고 온도를 높여 핵융합 반응을 유도한다. 이런 방식의 핵융합장치가 토카막(러시아 말로 '자기장 방'이란 뜻)이다.

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ITER 토카막의 전체 무게는 2만3000t으로 에펠탑 3개와 맞먹는 수준이다. 소비전력 대비 10배의 전력을 생산할 수 있는 '에너지증폭률(Q)=10' 수준의 열출력을 내는 것을 목표로 하고 있다.

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▲ 한국이 개발한 핵융합로 진공용기 조립장비. 거대 중장비임에도 불구하고 오차범위 2㎜ 이하의 정밀 제어가 가능하다. /사진=송경은 기자

한국은 ITER와 같은 방식의 한국형초전도핵융합장치(KSTAR)를 통해 얻은 경험과 기술력 덕분에 ITER 프로젝트에서 초전도 도체와 진공용기, 블랭킷(중성자·열 차폐물 및 삼중수소 증식재), 조립장비, 전원공급장치 등 핵심 장치 제작을 주도하고 있다.

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ITER는 장치의 덩치가 큰 만큼 100만여 개의 크고 작은 부품들을 레고블록처럼 차곡차곡 결합해 만드는데, 부품 대부분이 수백 t 이상으로 기계의 힘을 빌리지 않고 사람이 움직일 수 있는 게 거의 없을 정도다.

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실제 핵융합 반응이 일어나는 진공용기는 '핵융합로의 꽃'으로 불린다. 진공용기는 1억도 이상의 초고온 플라스마를 가두는 진공 조건을 만들어 주고, 중성자와 열이 외부로 빠져나가지 않게 차폐해주는 역할을 한다.

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한국은 ITER 장치의 진공용기 9개 섹터 중 4개를 제작하는데 현재까지 2개 섹터가 완성됐다. 섹터 하나의 규모는 높이 11.3m, 폭 6.6m, 무게 약 400t에 달한다. 두 번째 섹터는 지난 8월 말 카다라슈에 도착했다.

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▲ 지난 6월 말 한국이 제작한 진공용기 두 번째 섹터를 ITER 건설 현장이 있는 프랑스를 향해 출항하는 모습. /사진 제공=한국핵융합에너지연구원

ITER 국제기구는 2025년까지 핵융합로 핵심 시설을 완성해 첫 플라스마를 발생시키고, 2035년 완공해 본격적인 핵융합 실험에 돌입한다는 목표다. ITER는 올해 6월 기준 공정률 73%를 넘어섰다.

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사업 예산은 79억유로(약 10조4500억원)가 투입된다. 현물을 포함해 EU가 45.46%, 나머지 6개국이 9.09%씩 분담한다.

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지하자원에 대한 의존도가 낮은 핵융합에너지가 실현되면 기존 에너지원의 한계를 근본적으로 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 연료가 되는 중수소는 지구 표면의 70%를 뒤덮고 있는 바닷물에서 무한히 얻을 수 있다. 바닷물 35ℓ면 중수소 1g을 공급할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(출처:https://www.etnews.com/20210722000099)