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202001.08

핵융합, 잠수함의 새로운 동력원 될까?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/1048

 

 

세상에는 수많은 이동수단이 존재합니다. 하늘을 나는 비행기와 헬리콥터, 도로를 달리는 버스와 오토바이, 요즘 인기를 끄는 전동킥보드와 전동휠까지. 인류는 두 다리의 근육을 사용해 땅을 걷는 것보다 훨씬 편하게 이동할 수 있는 다양한 수단을 발명하여 이용하고 있습니다. 그리고 이 중에서도 광활한 바닷속을 커다란 고래처럼 헤엄쳐 다니는, 유난히 매력적인 존재가 있습니다. 바로 ‘잠수함’입니다. 잠수함은 물속으로 다니는 선박으로, 민간의 영역과는 다소 거리가 먼 존재이기도 합니다. 평균 수심 4,117m에 달하는 깊숙한 바다를 묵직한 몸으로 헤엄쳐 다니며, 사람이 바닷속으로 이동할 수 있게 해주는 사뭇 특별한 운송수단이기도 하고요.

 


|인류 최초 잠수함 ‘터틀호’의 등장


잠수함이 최초로 고안된 것은 1775년, 미국에서였습니다. 당시 독립을 위해 영국과 대치하던 미군은 영국의 수많은 군함과의 전투 끝에, 적진이 모르는 사이 헤쳐 들어가 군함을 파괴할 궁리를 하게 됩니다. 이때 미군 측의 데이비드 버쉬넬은 나무와 황동으로 만들어진 타원형 형태의 인류 1호 잠수함 터틀호를 만들어냈고, 이를 통해 영국함에 화약을 넣기 위한 작전을 펼쳤지만 실패하고 맙니다. 하지만 그가 최초로 고안해낸 ‘잠수함’이라는 존재는 군사적으로뿐만 아니라 인류의 발명 역사에 굵직한 획을 그었죠. 


 터틀호로부터 발전을 거듭한 잠수함은 수상 항해 중 엔진을 돌리며, 그 동력을 통해 발전기를 돌려 전기를 생산하는 형태로 가동되었습니다. 물속을 떠다닐 때는 생산된 전기로 전기모터를 돌려서야 비로소 움직일 수 있었죠. 따라서 운항에 필요한 전기를 충전하고, 선원의 생명 유지를 위해 필요한 산소를 공급하려면 주기적으로 수면 위로 올라와야만 했습니다. 하지만 뭍 위로 자주 올라갈수록 ‘잠수’라는 본연의 기능을 다 하지 못한다는 아쉬움이 존재했죠. 이러한 한계를 넘을 수 있게 된 것은 바로 ‘핵 잠수함’이 등장하면서부터입니다.

 

 

|원자력, 잠수함의 새 시대를 열다

 

1954년 진수된 미국의 노틸러스호는 원자로에서 만들어진 증기로 추진 터빈을 돌려 동력을 공급받는, 최초의 ‘원자력’ 잠수함이었습니다. 노틸러스호는 1958년 인류 역사상 최초로 96시간 동안 잠수한 채 북극점 바다 밑을 통과하는 북극해 횡단에 성공하면서 잠수함 역사에 새로운 획을 그었습니다. 이는 노틸러스호가 핵잠수함이기에 가능했던 것입니다.

 

원자력 잠수함은 농축 우라늄을 연료로 하는 잠수함으로, 2차 세계 대전 이후 개발된 핵분열 방식을 응용한 원자로를 동력으로 사용하는 잠수함입니다. 정기적으로 뭍 위로 나와야 하기에 수상에서 탐지되기 쉬웠던 기존 잠수함보다, 핵 추진 잠수함은 한번 핵연료를 주입하면 이론상 수년 가동될 수 있죠. 또 기존 잠수함보다 월등히 높은 수중항행능력과 속도를 갖춘 데다, 원자로에서 만들어지는 전기로 바닷물을 전기 분해해 산소도 얻을 수 있습니다. 원자력 잠수함의 등장은 깊은 바다에서 생활하며 갖은 불편함을 겪는 잠수함 선원에게도 큰 의의가 있는 데다, 정치·군사적으로 큰 역할을 수행하며 국력의 상징과도 같은 중요한 존재로 자리 잡게 되었죠. 원자력 잠수함 한 척을 완성하는 데는 아직도 어마어마한 기술적 난이도가 요구되기에, 공식 핵보유국만이 개발·운용하고 있습니다.

 

  

2030년 취역할 예정인 영국의 드레드노트급 잠수함. ⓒBAE SYSTEMS

 

하지만, 이런 뛰어난 성능의 원자력 잠수함에도 장점만 존재하는 것은 아닙니다. 손꼽히는 문제 중 하나로 폐기의 어려움이 있는데요. 영국에서 1980년 이후 퇴역한 원자력 잠수함은 총 20척이지만, 아직 완전히 폐기된 것은 없습니다. 심지어 9척은 여전히 원자로에 핵연료를 담고 있죠. 이는 원자력 잠수함을 폐기하기 위해서는 상상을 초월하는 비용이 필요하기 때문입니다. 현재 방치 중인 퇴역 원자력 잠수함을 전부 폐기하려면 거의 12조 원에 달하는 막대한 금액이 소요될 것이라 점쳐집니다. 혹 또 원자로에 든 핵연료는 특수 설비를 통해 제거해야 할 뿐 아니라, 방사성 부품과 설비를 제거하는 과정에서 각별한 주의가 필요한데요. 영국 국방부는 예산이 충분치 않다며 해체를 미루고 있고, 이 퇴역 원자력 잠수함을 관리하는 데만 매년 약 184억 원이 지출되고 있는 것이 현실입니다.

 

 

록히드 마틴의 ‘소형 핵융합로’, 청정 잠수함 탄생 예고


이에 새롭게 대두되고 있는 잠수함이 있습니다. 바로 핵분열을 이용하는 원자로 대신 태양에너지의 원리인 ‘핵융합’을 이용한 ‘핵융합 잠수함’에 대한 기대입니다. 사실 핵융합로는 아직 상용화를 이루지 못한 미래에너지원으로, 현재 발전소 건설을 위한 기술 개발을 위해 전 세계가 앞다투어 연구를 수행하고 있는 상황입니다. 하지만 현재 핵융합연구자들이 개발하고 있는 핵융합로 방식은 발전소 규모로 당장 잠수함 동력원으로 적용하기는 어려워 보였습니다.

 

그런데 미국의 방위산업체인 록히드마틴이 잠수함의 새로운 동력원으로 ‘핵융합로’를 제시하면서 주목을 받았습니다. 록히드 마틴은 F16, F22, C130, A4AR과 같은 군용 항공기 개발을 이뤄내 우주항공 및 방위 안보에 있어서 우수한 기술력을 보유한 방위산업체입니다. 2014년, 록히드 마틴은 뜻밖의 사실 하나를 발표했는데요. 바로 트럭 정도 크기의 작은 핵융합로를 개발하고 있다는 것입니다. 이 프로젝트의 관계자는 ‘5년 후 원형 모델 개발, 10년 내 상용화’라는 구체적인 계획을 밝히며 강한 의지를 선보인 바 있고요.

 

초소형 핵융합로 연구를 진행하고 있는 록히드 마틴의 개발부서 ‘스컹크웍스’는 100MW급 핵융합로인 ‘CFR(Compact Fusion Reaction)’을 개발하고 있다고 밝혔습니다. 이는 컨테이너보다 작은 크기로, 8만 가구 규모의 도시가 1년 동안 쓸 수 있는 전력을 생산할 수 있으며, 연간 연료 소모량은 중수소와 삼중수소 11kg 면 충분하다는 주장입니다. 특히 이 소형 핵융합로는 장기간 바닷속을 유영하는 잠수함의 새로운 동력원으로 주목받고 있는데요. 기존 핵연료를 이용하는 원자력 추진 잠수함보다 안전하고 깨끗하며, 작고 강력하다는 장점이 있습니다.

 

 

초소형 핵융합로(CFR) 개발중인 록히드마틴의 스컹크웍스. ⓒLockheedmartion

 

CFR은 ‘자기거울’ 방식의 핵융합로로, 개방형 구조로 플라즈마를 가두는 방식을 채택하는데요. 이론상 현재 대표적인 핵융합로 방식으로 꼽히는 토카막보다 구조가 단순하며, 낮은 자기장에서도 높은 플라즈마 압력을 유지할 수 있는 것이 특징입니다. 하지만 아직 자기거울 방식 연구는 실제로 발전 가능성이 증명된 바 없기에, 스컹크웍스가 소형 핵융합로의 탄생을 성공시킬 경우 자기거울 방식이 핵융합 발전용으로 가능하다는 것을 입증하는 셈입니다. 여전히 수많은 핵융합 과학자들은 자기거울 방식의 핵융합로는 실현 불가능한 일이라며 외면하고 있지만, 지난 2018년 록히드마틴은 미국특허청에 제출한 특허를 통해 CFR 관련 연구개발을 지속해왔음을 밝혔습니다. 물론 록히드마틴 방식의 핵융합로의 성공 여부는 미지수지만, 실용화될 경우 청정한 바다를 멋지게 누리는 ‘핵융합 잠수함’이 모습을 드러낼 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

미래에너지원으로 개발하고 있는 핵융합에너지가 실제 상용화에 성공하면 많은 것이 달라질 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 인류가 원하는 깨끗하고 안전하며 풍부한 에너지원 확보가 가능해질 뿐 아니라, 고효율에너지인 핵융합을 잠수함이나 로켓 같은 다양한 분야의 동력원으로 활용할 수 있는 가능성이 커지기 때문이죠. 이를 위해 현재 가장 발전된 핵융합 방식인 토카막을 이용한 핵융합에너지의 상용화 연구를 위해 주요 선진국들은 국제핵융합실험로인 ITER 건설을 추진하고 있으며, 록히드마틴과 같은 기업과 일부 연구자들은 새로운 형태의 핵융합로 개발을 위한 노력을 계속하고 있습니다.

 

아직 어떤 것이 정답이고, 어떤 방식이 상용화라는 목적지에 먼저 도달할지 모르지만 분명한 건 지속적으로 상용화라는 목표를 향해 나아가고 있다는 것입니다. 무엇이든 최초의 도전이 위대한 발명품을 탄생시키는 법이죠. 꿈과 희망을 안고 연구를 거듭하는 ‘핵융합’에 대한 열정은, 세상을 바꿀 힘이 되어 무한 청정에너지의 시대와, ‘핵융합 잠수함’의 탄생에 밑거름이 될 것을 기대해봅니다.

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