Special Report 1 l 정부 에너지 정책 보고서

“핵융합 연구역량, 국내외 산학연 협력으로 높인다”

미래부, ‘2013년도 시행계획’ 확정 발표… 총 1,516억원 투자

핵발전에 대한 치명적 위험에도 불구하고 핵발전은 에너지 공급원으로 현재까지는 중요한 요소다. 때문에 전 세계적으로 핵발전에 대한 연구개발은 지속되고 있다. 특히 핵융합에 대한 국제적 컨소시엄 개발은 활발하게 진행되고 있다. 이와 관련 미래창조과학부는 차세대 에너지원으로서 핵융합 에너지 상용화를 대비한 연구역량 강화 및 핵융합 산업 생태계 활성화 방안을 주요 내용으로 하는 ‘제2차 핵융합에너지개발 진흥 기본계획’의 2013년도 시행계획을 확정 발표했다. 올해만 핵융합 연구개발에 총 1,516억원을 투자하는 이번 사업 계획에 대해 알아본다.

미래창조과학부(장관 최문기)는 차세대 에너지원으로서 핵융합 에너지 상용화를 대비한 연구역량 강화 및 핵융합 산업 생태계 활성화 방안을 주요 내용으로 하는 ‘제2차 핵융합에너지개발 진흥 기본계획’의 2013년도 시행계획을 확정했다.

핵융합은 2개의 가벼운 원자핵이 융합반응을 일으켜 반응 전보다 무거운 원자핵이 생성되는 현상으로 핵융합 과정에서 에너지가 발생한다.

2013년도에는 국제핵융합실험로(ITER) 공동개발사업, 초전도 핵융합연구장치(KSTAR) 등 4개 사업을 중심으로 핵융합 연구개발에 총 1,516억원을 투자할 계획이다. 부문별로 국제핵융합실험로(842억원), KSTAR연구(327억원), 핵융합 기초 연구 및 인력양성(79억원), 핵융합연구소 기관 수행사업(268억원)이다.

한국, EU 등 7개국이 참여하는 ITER 사업의 추진을 통해 진단장치 등 우리나라가 담당하는 주요 장치(10개)의 개발과 제작을 지속 추진하고 향후 핵융합 에너지 상용화에 필요한 핵심기술 개발을 병행해 나갈 계획이다.

ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)은 과학적·공학적 실증을 위해 한국, EU, 일본, 미국, 중국, 인도, 러시아가 공동으로 개발·건설하는 핵융합 실험로이다.

TF 도체, 진공용기 본체 등 10개 한국이 조달

우리나라가 조달하는 주요장치는 TF 도체, 진공용기 본체, 진공용기 포트, 열차폐체, 블랑켓 차폐블록, 조립장비, 삼중수소, 전원공급장치, 진단장치, IVC 버스바 등 10개다.

특히 우리나라가 2013년 5월 기준으로 약 1,738억원(59건) 규모의 용역 및 물품제작을 ITER 국제기구 및 참여국으로부터 수주한 만큼 향후 ITER 사업과 관련된 기술정보의 수집, 조달품목과 관련된 기술업무의 현지 지원 등을 더욱 강화해 나갈 계획이다.

지난 2012년도에는 대표적으로 현대중공업이 896억원 규모의 물품제작을 일본에서 수주, 2013년 5월까지 누적 수주액은 우리나라가 지출한 현금분담금(1,191억원) 대비 140% 수준이다.

2007년 건설되어 2008년부터 1단계(‘08~‘12년) 운영을 시작한 KSTAR는 2008년 초전도장치로는 세계 최초로 플라즈마 발생에 성공하는 등 장치의 우수한 성능을 확인한 만큼, 지속적인 장치개선을 통해 플라즈마 운전성능을 더욱 향상시키고 핵융합 기초연구의 핵심시설로 국내외 공동연구 등을 통해 ITER 운전 과정에서 논의될 공학적·과학적 현안 과제의 사전 해결에 집중하면서 핵융합 기초연구의 국제적 주도권을 갖춰나갈 계획이다.

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 국내 기술로 건설된 것으로 국가 핵융합연구소가 운영 중인 초전도 자석 핵융합 연구장치이다.

또한 1995년 시작된 KSTAR 건설에서부터 현재 ITER 개발사업까지 참여한 국내 산업체를 중심으로 형성된 핵융합 산업 생태계를 보다 활성화하기 위한 정부 지원을 강화해 나갈 계획이다.

미래부는 국가 핵융합연구소와 함께 핵융합 연구개발 과정에서 축적된 파생기술 등을 중소기업에 이전할 수 있도록 ‘중소기업 상생 한마당’과 같은 기회 제공의 장을 정기적으로 마련할 계획이며 국가 핵융합연구소의 우수 연구성과 확산을 위한 전담조직(TLO)의 역할을 강화해 나가는 한편, 지식정보의 산업체 공유를 위한 ‘핵융합 지식정보시스템’도 구축할 계획이다. 미래부는 역량 있는 국내 산업체의 핵융합 연구개발 참여를 확대하고 참여 기업의 기술역량 강화 및 고용 창출 등을 위해 지속적으로 지원하겠다고 밝혔다.

핵융합에너지개발진흥계획 4대 전략 9개 중점 과제 

2013년 시행계획은 ‘제2차 핵융합에너지개발 진흥 기본계획’의 4대 전략 및 9개 중점 과제와 관련이 있는 4개 사업을 중심으로 수립됐다.

4개 사업은 KSTAR 연구, ITER 공동개발사업, 기초연구·인력양성(대학중심 핵융합 기초연구 및 인력양성, 핵융합 선도연구센터), 핵융합(연) 기관수행사업 등이다.

2012년도 주요 추진실적을 살펴보면 4개 핵융합 관련 사업에 1,723억원 투자됐는데 KSTAR 연구에 296억원, ITER 공동개발사업 1,074억원, 핵융합 기초연구 및 인력양성으로 74억원 그리고 핵융합(연) 기관수행사업에 279억원이 사용됐다.

그간의 주요 추진실적을 보면 우선 KSTAR 연구는 5천만도의 초고온 플라즈마 형상제어, 장시간의 안정적 플라즈마 유지 등 초전도 핵융합실험장치의 성능과 운전능력을 확인했다.

또 고성능 운전조건(H-모드)에서 플라즈마를 17초간 안정적으로 유지, 플라즈마 경계면 불안정성(ELM) 발생 과정의 3차원 분석에 성공했다.

우수한 장치 성능에 따라 2012년에는 국내·외 연구기관과 84건의 공동연구 수행했는데 서울대, 포항공대, 한양대 등 국내 대학 및 미국·중국·일본 국립연구소 등이 참여했다.

ITER 공동개발 사업은 우리나라 조달품목 총 10개의 개발 제작 수행했으며 지난 2012년 6월 ITER 이사회 승인을 얻어 ITER TBM 프로그램에 공식 가입했다.

TBM(Test Blanket Module)은 에너지 추출, 삼중수소 증식 등 핵융합실험로의 핵심 기능을 ITER장치에서 실험하기 위한 모듈을 말한다.

기초연구 인력양성사업은 4개의 거점센터 3개의 학연그룹, 1개의 기초연구 지원을 통해 핵융합 기초연구 저변확대 및 인력양성 추진했다. 이를 통해 61건의 SCI 논문과 38명의 석·박사 배출과 41명이 국제교류를 통해 전문지식을 습득했다.

핵융합연구소 기관수행사업은 2012년 11월 군산 플라즈마센터 개소를 비롯해 플라즈마 기술연구센터 확대 이전하고 플라즈마 활용 응용기술 개발 및 사업화 기반을 마련했다.

2013년 투자예산, 전대대비 12% 감소 1,516억 규모

2013년도 추진계획을 구체적으로 보면 2013년 투입 예산은 2012년 대비 12% 감소한 1,516억원 규모다. 우선 KSTAR 연구 및 시설에 327억원, ITER 공동개발사업 842억원, 핵융합 기초연구 및 인력양성 79억원과 핵융합(연) 기관수행사업에 268억원을 투입한다. 특히 ITER 사업 예산의 일시적 감소했는데 이는 전력기금 예산 지원이 2012년 종료됐기 때문이다.

중점 추진방향으로 핵심적인 사항은 핵융합 상용화 대비 연구역량 강화 및 핵융합 산업생태계 활성화 추진이다. 우선 KSTAR 연구개발은 초전도 핵융합실험장치의 성능개선을 통한 운전성능 향상, 핵융합 기초 연구의 핵심시설로써 ITER 등 핵융합 핵심기술 확보 추진이 있다. 특히 성능 목표로 고성능 운전조건(H-모드)에서 플라즈마 유지 20초 이상으로 잡았다.

ITER은 국내 산업체를 통한 할당 품목의 적기 개발 제작 및 기술축적, ITER TBM 개발 본격 착수 등 비조달 분야 핵심기술 개발 추진하고 있다.

기초연구 인력양성에서는 고온 플라즈마 활용분야 등 신규 지원분야 확대하고 핵융합연구소 기관수행사업은 우수 연구성과 확산 및 파생기술 이전 확대, 플라즈마를 활용한 환경개선기술 등 실용기술 개발을 강화했다.

핵융합(연), 포항공대 등 100여 개 산학연 참여 

두 번째로 핵융합 연구개발을 통한 산업 생태계 활성화 방안으로 핵융합 분야는 KSTAR 건설이 시작된 1995년 이후 산업 생태계가 출현, 현재 확장기에 진입 중인 과도기적 상태에 있다.

그간의 상황을 보면 1995년에서 2007년까지 출현, KSTAR 제작해서 2008년에서 2020년까지 확장 전반기로 보고 KSTAR 운영과 확장 후반기엔 ITER 건설, 그리고 ITER 운영, DEMO 건설한 다음 2040년 이후 성숙단계를 거쳐 상용화를 목표하고 있다.

KSTAR 제작은 핵융합(연), 원자력(연), 포항공대가 중심이 되어 개발하고 1996년부터 포스코 ICT 등 약 100여 개 기업이 핵융합 연구개발에 참여하고 있다.

정책적으로 KSTAR를 거점 연구시설로 활용하여 초전도, 삼중수소 등 핵융합 관련 다양한 분야의 융합 연구를 추진할 수 있는 기술 확장전략을 수립하고 있다.

또 중소기업 지원 측면에서 핵융합 연구개발 과정에서 축적된 파생기술 등을 중소기업에 이전할 수 있도록 핵융합(연) 주관의 기회 제공의 장 마련하고 ‘중소기업 상생 한마당’과 같은 기회 제공의 장을 마련하여 정기적으로 맞춤형 컨설팅 및 정보를 제공하고 있다.

이를 통해 성과 확산을 위해 핵융합(연) 우수 연구성과 확산을 위한 전담조직(TLO) 역할 강화 및 지식정보의 산업체 공유를 위한 ‘핵융합 지식정보시스템’을 구축할 예정이다.

또한 일본, 중국, EU, 미국 등 ITER 참여국과의 협력 지속 추진, 캐나다 호주 등 ITER 미 참여국과 핵융합 협력 활동도 강화할 방침이다.

국제핵융합실험로(ITER) 공동개발사업 개요

이 사업은 미래 대용량 청정에너지인 핵융합에너지의 상용화 가능성을 최종 실증하는 초대형 국제협력 R&D 프로젝트이다.

국제핵융합실험로(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)는 핵융합 반응을 통한 500MW급의 열출력을 발생하는 장치로서, 전기생산 가능성을 실증하기 위한 핵융합실험로를 말한다.

우리나라는 핵융합분야 후발국가로 선진국이 축적한 핵융합 기술을 단기간 내 추적·확보하기 위해 2003년 6월부터 ITER 프로젝트에 참여했다.

현재 참여 국가는 미·러·EU·일(1988년 4월 참여), 중국(2003년 1월 참여) 한국(2003년 6월 참여), 인도(2005년 12월 참여)했다. ITER 회원국은 ITER 공동이행협정에 서명하고 ITER 국제기구 공식출범('07년 10월)과 함께 본격적으로 ITER 프로젝트 수행 중이다.

ITER, 500MW급 열출력을 발생하는 장치

그간의 사업 추진경과를 살펴보면 국제원자력기구 산하 ITER 위원회 출범(미, 러, 일, EU), 우리나라 ITER 가입, ITER 건설부지 프랑스 카다라쉬 결정, ITER 공동이행협정 협상 완료(제주회의), 인도 참여, ITER 공동이행협정 및 특권 면제협정 서명, ITER 공동이행협정 및 특권 면제협정 국회 비준동의, ITER 국제기구(IO)가 공식 출범했다. 이로써 협정발효와 법인격을 확보했다.

조달 부문은 총 10개 품목 중 7개에 대해 ITER 기구와 조달약정(PA)을 체결, 이 중 6개 품목은 국내 산업체와 계약을 통해 개발 제작 진행 중이다.

이 중 조달 품목은 TF 도체, 진공용기 본체, 진공용기 포트, 열차폐체, 블랑켓 차폐블록, 조립장비, 삼중수소, 전원공급장치, 진단장치, IVC 버스바 등이다.

기술개발은 조달품목은 아니지만 핵융합 상용화에 필요한 핵심기술 확보를 위해 ITER TBM 프로그램에 참여했다. TBM(Test Blanket Module)란 에너지 추출, 삼중수소 증식 등 핵융합실험로의 핵심 기능을 ITER장치에서 실험하기 위한 모듈이다.

수주면에서는 2013년 5월 기준 ITER 기구 및 타 참여국으로부터 총 59건, 약 1,738억원 규모의 연구 서비스 용역 및 물품제작 수주했다. 지난 2012년도에는 대표적으로 현대중공업이 896억원 규모의 물품제작을 일본에서 수주했으며 2013년 5월까지 누적 수주액은 우리나라가 지출한 현금분담금(1,191억원) 대비 140% 수준이다.

또 2013년 5월 현재 총 30명의 국내인력이 ITER 기구에 파견돼 있다.

정부는 이 프로젝트를 위해 조달 부문은 체계적인 진도관리를 통해 할당된 조달품목을 적기에 개발 및 제작, 2013년 내 1개 품목에 대해 조달약정 체결했다. 또 기술개발 부문에는 2013년 15개 과제를 비조달분야 핵심기술 추적 및 개발 본격화하고 ITER TBM 프로그램에 본격적으로 참여하여 TBM 개발 제작 추진키로 했다.

또 수주는 ITER 기구 및 타 참여국으로부터 지속적으로 수주 노력, ITER 사업 지원과 수주 확대를 위한 현지 지원을 확대하면서 ITER 기구에 국내 전문가 및 신규인력의 파견을 지속 추진키로 했다.

<출처: 미래창조과학부>

초전도 핵융합연구장치(KSTAR) 개요

KSTAR 장치는 1995년 12월 시작해 2007년 8월까지 약 3,090억원을 투입한 개발사업이다.

참여인력만 30개 기관에서 연 300여 명이 투입됐으며 주요 재원으로 장치크기(높이 10m, 직경 10m), 초전도체 소재(Nb3Sn, NbTi), 초전도자석 무게(약 300톤) 등이다.

KSTAR 최종 성능 목표는 플라즈마 발생시간 300초, 플라즈마 온도/전류 3억도/2MA, 초전도 운전온도는 4K(영하 269도), 플라즈마 자기장은 3.5테슬라이다.

정부는 장치검증 완료 및 최초 플라즈마 발생을 위해 KSTAR 장치에 대한 개별검사 및 종합적 성능검증을 거쳐 2008년 6월 최초 플라즈마 발생 달성에 성공했다.

그간 주요 추진경과를 보면 KSTAR 개념설계 및 기반기술 R&D 수행, KSTAR 장치 제작 및 설치 완료, KSTAR 최초 플라즈마 발생 성공, KSTAR 실시간 플라즈마 형상 제어, 고성능 H-모드 에서 플라즈마 17초간 운전 달성 성공 등이다. 

Special Report_ 시작하면서

정부, 핵융합 에너지 상용화 연구개발 ‘박차’

셰일가스로 미국 에너지 파워 UP… 130년 백열전구 ‘역사 속으로’

핵발전에 대한 치명적 위험에도 불구하고 핵발전은 에너지 공급원으로 현재까지는 중요한 요소다. 때문에 전 세계적으로 핵발전에 대한 연구개발은 지속되고 있다. 미래창조과학부는 차세대 에너지원으로서 핵융합 에너지 상용화를 대비한 연구역량 강화 및 핵융합 산업 생태계 활성화 방안을 주요 내용으로 하는 ‘제2차 핵융합에너지개발 진흥 기본계획’의 2013년도 시행계획을 확정 발표했다. 국제 에너지 시장에 대한 미국의 영향력은 셰일자원의 생산 확대와 더불어서 계속 강화될 것이다. 미국의 에너지 생산 확대는 에너지 수입을 감소시켜 국제 에너지 가격에 하락 압력으로 작용한다. 세계 각국들이 미국의 에너지 시장 향방에 촉각을 세우고 있는 이유다.

인류 역사상 가장 획기적인 발명품 가운데 하나였던 백열전구. 인류의 삶을 바꿔 놓으면서 좋은 점과 나쁜 점을 만들었던 백열전구가 발명된 지 130년 만에 역사 속으로 사라진다. 우리나라는 도입된 지 127년 만이다. 이승재 편집장 sjlee@engnews.co.kr

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