대전시 대덕 특구에 있는 국가핵융합연구소를 찾아가면서 생뚱맞게 ‘뭉치면 살고 흩어지면 죽는다’는 구호가 떠올랐다. 핵융합 전문가를 만나기 전 머릿속에 입력해둔 핵융합과 핵분열에 관한 기초지식들이 엉뚱한 연상작용을 일으킨 모양이다. 하지만 100% 엉터리는 아니다. 지금 대한민국에서 핵분열은 죽고, 핵융합은 살아야 할 상황 아닌가.

현 정부가 궁극적 폐기 대상으로 바라보는 기존의 원자력발전은 핵분열로 에너지를 만들어낸다. 우라늄이나 플루토늄 같은 물질의 원자핵이 중성자를 흡수하면서 쪼개지는 과정에서 발생하는 에너지로 발전을 한다. 핵이 쪼개지면서 발생하는 중성자가 다른 핵과 연쇄반응을 일으키면서 엄청난 에너지를 뿜어낸다. 이 연쇄 핵반응을 제어하지 못하면 가공할 원자폭탄이 되든지, 후쿠시마 원자로 사고 같은 재앙이 벌어진다. 핵분열 과정에서 반감기(半減期)가 수만 년에서 수십만 년에 이르는 고준위 핵폐기물도 나온다.

반면 핵융합은 전혀 다른 방식으로 에너지를 만들어낸다. 중수소와 삼중수소의 핵을 충돌시키는 과정에서 발생하는 중성자의 강한 운동에너지로 발전을 한다. 핵분열에 비해 반응을 일으키기 어렵지만 발생 에너지가 핵분열의 4~5배에 이른다. 핵융합을 일으키기 위해서는 섭씨 2억도가 넘는 플라스마를 인공적으로 만들어내야 한다. 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 제4상태로 불리는 플라스마는 기체가 고도로 이온화한 것으로 태양의 99% 이상이 플라스마 상태다. 태양에서도 핵융합이 끊임없이 일어나면서 에너지를 뿜어낸다. 핵융합 발전이 ‘인공 태양’을 지상에 건설하는 것이라고 말하는 이유는 이 때문이다.

핵융합 발전은 효율성도 높을 뿐 아니라 연료도 풍부하고 이렇다 할 방사능 물질도 만들어내지 않기 때문에 상용화될 경우 인류는 그야말로 ‘꿈의 에너지’를 갖게 된다. 선진 각국이 핵융합 발전을 국가적 연구 과제로 삼아 엄청난 투자를 하는 것은 어찌 보면 당연하다. 우리나라도 1995년 말 국가핵융합연구개발 기본계획을 확정한 후 핵융합 연구에 상당한 투자를 해왔다.

지난 10월 31일 만난 김기만(57) 국가핵융합연구소 소장은 국내 핵융합 연구에서 최고 전문가 중 한 명으로 꼽힌다. 특히 그는 국가핵융합연구소가 세계에 자랑하는 핵융합 실험로 케이스타(KSTAR)의 산파역을 맡은 인물이다. 초전도(超電導) 자석 연구로 명성을 쌓은 그는 플라스마를 감싸는 케이스타 용기의 설계와 제작을 담당했다. 올해 완공 10년째를 맞은 케이스타는 해마다 ‘세계 최초’ 기록을 낳으면서 세계 핵융합 연구의 최전선을 지켜왔다. 올해 11월 9일, 3년 임기를 마치고 핵융합 연구 사령탑에서 내려오는 그가 ‘탈핵(脫核) 시대’에 핵융합 발전의 미래를 어떻게 보고 있는지 궁금했다.

연구소 집무실에서 기자와 마주 앉은 그는 “요즘 핵융합 연구자들의 어깨가 무겁다”는 말부터 꺼냈다.

“핵융합 발전은 기존 원전과는 완전히 다른 방식이지만 핵이라는 말 자체를 싫어하고 모든 발전시설을 혐오시설로 대하는 분위기가 조성되면서 우리도 부담스럽기는 마찬가지다. 기존 원전산업에서 한국은 원자로 등 코어(core) 분야뿐 아니라 발전기, 냉각시설 등 원자로 건설 뒷부분 작업에서 부동의 1등이었다. 핵융합 발전도 원자로는 다른 방식이지만 뒷부분은 기존 원전산업에 의존해야 한다. 원전산업 전체가 위축되면 우리도 영향을 받을 수밖에 없다.”

- 핵융합 발전 상용화까지 앞으로 얼마나 걸리는지가 무엇보다 궁금하다. “내 예상으로는 우리도 2042년쯤 상용 발전의 바로 전 단계인 실증로(實證爐)를 지을 수 있다. 상용 발전은 2050년경부터 가능하다고 본다. 중국은 우리보다 5년 앞당기는 것이 목표이고, 유럽은 우리보다 5년 뒤질 것으로 예상되고 있다. 걱정은 상용화까지 시간이 너무 걸린다고 다들 느낀다는 점이다. 탈원전의 대안이 핵융합이라고 생각하는 사람들도 2050년이나 되어야 상용화가 가능하다고 하면 실망한다. 우리는 시간과의 싸움을 벌이고 있다.”

그는 말은 아꼈지만 정부의 탈핵정책이 염려스럽다는 점을 분명히 했다.

“핵융합 상용 발전을 2050년 시작한다고 하면 1년에 한 개씩 핵융합 원자로를 짓는다고 해도 기존 원전의 발전량을 따라가려면 50년이 걸린다. 앞으로 100년 정도는 기존 원전이 버텨줘야 전력수급을 안정적으로 가져가면서 핵융합 발전으로 옮겨갈 수 있다. 땅이 좁은 우리나라는 신재생에너지로 안정적 전력수급을 이루기에는 문제가 적지 않다.”

- 핵융합이 ‘꿈의 에너지’라고 불리는데 진짜 그런가. “깨끗하고 연료가 풍부하다는 점에서 그렇다. 핵융합 연료인 중수소는 바닷물 속에 무진장 있고, 삼중수소는 리튬에서 추출하는데 리튬은 바다와 지표면에 1500만년 정도 사용할 수 있는 양이 매장돼 있다. 요즘 리튬배터리 때문에 수요가 늘고 있지만 우리나라는 바닷물에서 리튬을 추출하는 특허도 갖고 있다. 이 특허를 상용화하는 기술 개발을 지금 포스코가 하고 있다. 1g의 중수소와 삼중수소가 핵반응을 일으키면 시간당 10만㎾의 전기를 생산할 수 있다. 이는 석유 8t이 생산해내는 에너지와 같다. 300g의 삼중수소와 200g의 중수소만 있으면 고리원전 1호기보다 약 2배 큰 100만㎾급 핵융합발전소를 하루 동안 가동할 수 있다.”

- 안전성은 어떤가. 고온의 플라스마를 품고 있는 원자로가 깨지거나 폭발하면 큰일 아닌가. “기존 원자로와는 작동원리가 다르기 때문에 그런 일은 발생하지 않는다. 기존 원자로는 연료봉이 자체적으로 계속 핵반응을 일으키지만 핵융합 원자로는 삼중수소나 중수소 같은 연료를 주입하지 않으면 바로 꺼진다. 전원만 꺼져도 플라스마가 사라진다. 또 이산화탄소도 거의 내놓지 않고 고준위 방사성 폐기물도 나오지 않는다. 중수소와 삼중수소가 핵융합하는 과정에서 헬륨과 중성자가 만들어지는데 헬륨은 풍선에 넣는 기체로 아무 해가 없다. 중성자가 핵융합로와 부딪치면 약간의 방사성 폐기물이 나오지만 저준위다. 수명이 다한 핵융합로를 그냥 야적장에 방치해 둔 채 사람이 지나다녀도 된다. 50~100년이 지나면 독성이 화력발전소보다 떨어진다.”

- 우리나라가 기존 원전뿐 아니라 핵융합 분야에서도 세계 최고 수준이라고 들었는데 경쟁력의 원천이 뭔가. “우리가 국산 핵융합 실험로인 케이스타를 짓기로 결정한 것이 김영삼 정부 때인 1995년 말이다. 그때 G7 사업의 하나로 시작했다. 1996년 사업단이 출범해 노무현 정부 때인 2007년 완공했다. 장치를 만드는 데만 3000억원의 예산이 들었고 건물과 기타 설비 등을 합하면 5000억원 가까이가 들었다. 지금은 인공위성 프로젝트를 담당하는 항공우주연구원이 예산을 많이 쓰지만 당시로서는 과학 프로젝트 장치 하나를 짓는 데 5000억원이라는 거금을 쓴 예가 없었다. 쓸데없는 데 돈을 쓴다는 비판에도 불구하고 케이스타 프로젝트 때 모두 미친 듯이 일했다. 나도 새벽 6시 반에 출근해 새벽 2시 이전에는 퇴근한 적이 없을 정도였다. 그 결과 후발주자이면서도 세계가 놀랄 만한 실험로를 만들어냈고 한국이 핵융합 신흥강국으로 부상할 수 있었다.”

이날 김 소장과 함께 둘러본 케이스타는 1m 두께의 콘크리트 건물 안에 놓여 있었다. 지름 10m, 높이 6m의 원통 모양으로 주변에 가열장치, 냉각장치 등이 어지럽게 설치돼 있었다. 건물 벽면에는 케이스타를 만드는 데 기여한 기업들의 명패들이 붙어 있었다. 김 소장은 “케이스타 건설에 국내 약 70개의 산업체가 참여했는데 모두 핵융합 분야에서 세계적 기술을 보유한 강소기업으로 성장하고 있다”며 “프랑스 카다라슈에 짓고 있는 초대형 국제핵융합실험로(ITER) 건설 사업에도 우리 기업들이 대거 참여하고 있는데 우리 기업들의 납품 실적이 이미 5000억원 이상이어서 한국의 ITER 사업 참여 분담금을 상쇄하고도 남을 것 같다”고 했다.

- 케이스타가 왜 우수한가. “전 세계의 핵융합 실험로 중 100% 초전도 장치는 케이스타와 중국의 이스트(EAST) 딱 두 대뿐이다.(초전도란 금속이나 합금을 절대영도인 섭씨 영하 273도 가까이 냉각시키면 전기 저항이 소멸하여 전류가 장애 없이 흐르는 현상이다.) 하지만 성능과 재질에서 우리가 우수하다. 자기장 정밀도가 10의 마이너스 4승 정도가 일반적인데 케이스타는 10의 마이너스 5승 이하다. 케이스타는 이상적인 자기장을 구현했기 때문에 실험을 원하는 대로 할 수 있다. 장치로 인한 오류가 거의 없다.”

현재 전 세계 핵융합 실험로 유형에는 케이스타와 같은 토카막(Tokamak) 방식과 스텔러레이터(Stellerator) 방식 두 가지가 있다. 핵융합이 일어나는 플라스마를 자석으로 만든 코일방에 가두는 것이 토카막이라면, 뫼비우스형의 꼬임장치에 가두는 것이 스텔러레이터다. 케이스타 이전의 토카막 실험로는 전자석과 구리로 만들었는데 강력한 자기장을 생성하기 위해 높은 전류를 흘릴 경우 전자석의 전기저항으로 엄청난 열이 발생해 장치를 오랫동안 가동할 수 없었다. 20~30초 가동하면 냉각수를 흘려주며 20~30분씩 쉬는 게 보통이었다. 하지만 케이스타는 세계 최초로 초전도 자석만으로 실험로를 만든 덕분에 전기저항이 0이어서 에너지 손실 없이 플라스마를 가둘 수 있다. 케이스타의 용기를 이루고 있는 초전도 자석은 400 가닥의 초전도선 사이에 미세한 틈을 만들어 이 안으로 섭씨 영하 268.5도의 액체헬륨을 주입해 서서히 온도를 낮춘다. 김 소장은 “플라스마를 발생시키기 전 케이스타 내부를 진공 냉각 상태로 만드는 데만 두 달 정도 걸린다”고 했다.

- 케이스타를 1년 내내 가동하나. “그렇지 않다. 1년에 3개월 정도만 운전한다. 6개월 정도는 실험용 샘플 설치하고 수리, 업그레이드한다. 나머지 두 달은 앞서 말한 대로 준비 기간이다. 2008년부터 매년 가동해 지난 8월까지 10번 가동 기록을 세웠다. 지금 세계 각국의 핵융합 연구자들은 고성능 플라스마를 생성해 얼마나 지속하느냐로 경쟁을 벌이고 있다. 우리가 작년에 세계 최초로 72초 기록을 세웠는데 중국이 얼마 전 100초를 달성하며 깨버렸다. 우리도 올해 100초를 달성하려고 했는데 갑작스러운 부품 이상으로 하지 못했다. 현재 재정비에 들어간 케이스타에는 내년에 중성자빔 가열장치를 추가로 단다. 고성능만 아니면 플라스마 300초 지속도 가능해진다. 현재 섭씨 7000만도인 플라스마 온도도 2019년에는 섭씨 1억도로 올리는 게 목표다.”

플라스마는 연구자들이 ‘고삐 풀린 말’이라고 부를 정도로 제어가 힘든 물질인데 고성능 모드(H모드) 운전시간이 60초를 넘으면 고온의 플라스마가 불안정하게 요동치는 단계를 넘어선 것으로 판단된다. 중국에 100초 기록은 빼앗겼지만 이 60초 기록을 세계 최초로 넘어선 것이 한국의 케이스타였다고 한다.

- 핵융합 발전을 상용화하려면 어떤 기술적 난관들이 남아 있나. “진짜 핵융합 원자로를 만들려면 플라스마 온도부터 섭씨 2억도 이상이 되어야 한다. 핵융합은 2억도 이상에서 일어나는데 상용화하려면 2억5000만도는 되어야 할 것이다. 지금 케이스타는 쉽게 비유해 연탄재와 숯불을 이용해 불을 붙이는 실험을 하는 정도다. 연료도 삼중수소는 빼고 중수소만 쓰고 있다. 지금 프랑스 카다라슈에 짓고 있는 국제핵융합실험로(ITER)가 완공되면 연탄재가 아니라 검은 연탄을 때게 된다. ITER가 가동되면 상용화를 위한 여러 실험을 할 수 있을 것이다.”

올해로 건설 10년째인 국제핵융합실험로는 핵융합 연구 역사에서 이정표가 될 전망이다. 우리나라를 비롯해 미국, 중국, 유럽연합(EU), 러시아, 일본, 인도 등 7개국이 참가하고 있는 국제핵융합실험로 건설 사업은 당초 2019년 완공 예정이었으나 추진에 어려움을 겪으며 완공 시점이 2024년으로 늦춰졌다. 하지만 높이 30m에 이르는 이 초대형 실험로가 완공될 경우 중요한 실험들을 하게 된다. 예컨대 플라스마 온도를 섭씨 2억도로 올려 운전하며, 중수소와 삼중수소를 함께 연료로 써 강한 운동에너지를 갖는 중성자를 실제로 발생시키게 된다. 중성자가 발생할 경우 핵융합로 내부 재료에 어떤 영향을 주는지도 알 수 있게 된다. 특히 ITER에는 핵융합 발전의 핵심 기술인 ‘블랭킷’이 적용된다. 핵융합 과정에서 발생하는 중성자의 운동에너지를 실제 전기를 생산하는 열에너지로 바꾸는 장치가 블랭킷이다. 또 블랭킷 표면에 입힌 리튬과 중성자가 충돌하면 핵융합 연료로 쓰이는 삼중수소도 자체적으로 발생하게 된다. 한 번도 가본 적이 없는 핵융합 발전의 실제 상황으로 한걸음 더 다가가는 셈이다. 김 소장은 “고성능 플라스마를 잘 제어할 수 있는 케이스타의 실험 결과와 ITER의 실험 결과가 병합되면 더 빨리 상용화의 길로 갈 수 있다”며 “우리는 케이스타의 우수한 연구 데이터가 축적돼 있기 때문에 ITER의 초기 실험 결과만 봐도 남들보다 먼저 상용화의 길로 갈 수 있다”고 자신했다.

- 상용화될 경우 핵융합 원자로의 크기는 어느 정도로 예상하나. “내가 직접 모의 설계를 해봤는데 ITER 정도 높이의 원자로를 건설해 600~800㎿(메가와트)의 발전량을 보이는 게 지금으로서는 가장 최적화된 수준이다. 지금 수준에서 핵융합로의 덩치를 너무 키우면 엔지니어링상 문제가 생긴다.”

- 핵융합 분야에서 중국의 추격이 만만치 않아 보이는데 실제 어떤가. “중국은 핵융합 연구인력을 1만명 확보하겠다는 계획을 추진 중에 있다. 외국에서 인력을 데려오는 등 매년 1000명씩 확보하겠다는 것이다. EAST라는 실험로를 돌리는 인력도 우리의 몇 배다. 우리는 70여명이 3개월을 돌리는데 중국은 400여명이 6개월을 돌린다. 당장 우리도 케이스타를 5개월 정도는 돌렸으면 하는데 그러기 위해서는 인력이 최소 150명은 있어야 한다. 하지만 국내 연구 인력이 따라주지 못한다.”

- 왜 그런가. “핵융합도 대학 원자핵공학과의 한 파트로 가르친다. 하지만 끝까지 핵융합 연구를 붙잡고 있는 사람은 드물다. 1년에 약 50명이 국내외에서 학위를 받는데 끝까지 핵융합 연구를 하는 인력은 5명 정도에 불과하다.”

대부분의 과학자들이 그렇지만 그 역시 평생 한 우물을 판 사람이다. 1960년생인 그는 화학공학자였던 아버지를 따라 아버지의 박사학위 지도교수였던 신윤경 서울대 화공과 교수 집을 들락거리다가 고등학생 때 신 교수가 가르쳐준 ‘꿈의 에너지’에 바로 꽂혀버렸다. 서울대 원자핵공학과를 졸업한 후 미국 일리노이주립대에서 박사학위를 받았고, 이후 미국 아르곤국립연구소와 삼성종합기술원 등에서 일하다 케이스타 프로젝트에 합류했다. 아르곤국립연구소에서는 초전도 자석 연구의 세계적 권위자인 김석홍 박사 밑에서 일하며 스스로 초전도 자석 분야의 권위자로 성장했다고 한다.

그에게 국가핵융합연구소 소장으로 재임한 지난 3년의 성과를 묻자 이런 말을 했다. “소장으로 있으면서 구성원 모두가 같은 마음을 갖자, 꿈을 나누자고 강조해왔다. 우리는 핵융합을 성공시키자는 소명감과 목표의식이 없으면 일을 못 한다. 핵융합의 성공이 각자의 꿈의 실현이 되어야 한다.”

그 역시 소장 퇴임 후에도 연구소 연구위원으로 남아 자신의 꿈을 계속 좇을 계획이다.