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201905.24

‘최초’가 ‘최고’가 되었던 과학기술 성과의 비결은?

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/942

첫 걸음마, 첫사랑, 첫월급 등 ‘최초’의 경험은 어느 누구에게나 특별합니다. 이러한 처음들이 모이고 모여 한 사람의 인생이라는 최고의 결과물이 완성되는데요. 사람의 인생 뿐 아니라 이 세상 모든 일에는 ‘최초’가 있기 마련입니다. 사람들의 생활에 큰 영향을 미치는 과학기술도 예외는 아니고요.

우리가 지금처럼 최첨단 과학기술의 혜택 속에 살게 되기까지 인류 과학사에는 수많은 ‘최초’들이 기록되어 왔습니다. 어떤 ‘최초’의 사례들이 어떻게 ‘최고’의 결과로 이어졌을까요? 또 그 비결은 무엇이었을까요?

 

인류에게 두 번째 불을 선물하다.

 

‘발명왕’이라는 별명에 걸맞게, 에디슨은 생애를 바쳐 수많은 발명품을 탄생시킨 과학자 중 한 명입니다. 그의 발명품 중 단연 최고로 꼽히는 건 바로 ‘전구’인데요. 재미있는 사실은 전구를 처음으로 발명한 사람은 에디슨이 아니라는 사실입니다. 기존에도 전구 형태의 물건들은 존재했지만 빛이 오랫동안 유지되지 않고 가격도 비쌌기 때문에 실생활 속에서 사용하는 데에는 한계가 있었죠.

고민 끝에 전류가 흐르면 빛을 발생시키는 탄소 필라멘트 연구에서 실마리를 찾은 에디슨은 그때부터 최고의 탄소 필라멘트 소재를 찾기 위하여 수천 번의 시도를 이어갔습니다.


세상에서 가장 유명한 발명가로 손꼽히는 에디슨

1879년 12월의 어느 날, 캄캄했던 에디슨의 연구실이 한순간에 대낮처럼 환해졌습니다. 에디슨이 마침내 최고의 필라멘트 소재로 ‘백열전구’를 탄생시킨 것입니다. 이 최초의 백열전구는 무려 40시간 동안 빛을 유지하는 데 성공하여 에디슨 스스로도 놀라움을 금치 못했죠. 이후 에디슨은 전구 성능 개선을 거듭한 끝에 전구의 유지시간을 1,200시간까지 늘리는 데 성공했습니다.

에디슨의 전구는 빠르게 우리의 삶을 바꾸기 시작했습니다. 어둠이 내려앉으면 하루를 마감해야 했던 사람들의 시간은 훨씬 늘어났고, 가정 곳곳에 ‘전기’가 닿기 시작했으며 가전제품의 사용을 통해 사람들은 더 편리한 생활을 할 수 있게 되었습니다.

아주 오래전 원시인들이 ‘불’의 발견을 통해 ‘문명’을 얻었던 것처럼 사람들은 두 번째 불 ‘전구’를 통해 완전히 다른 삶의 방식을 얻게 된 것입니다.

|인류에게 날개를 선물하다.

 

1903년의 어느 날, 새처럼 하늘을 날고 싶었던 인류의 꿈이 마침내 실현되었습니다.

비행시간 12초, 비행거리 36.5미터.

인류가 성공한 최초의 비행이 이렇게 끝이 났습니다. 인류 최초의 비행을 성공한 그들은 오빌 라이트와 윌버 라이트, 라이트 형제였습니다.


라이트  형제. 오빌 라이트(왼)와 윌버 라이트(오)

어렸을 때부터 호기심이 많았고, 손재주도 뛰어났던 라이트 형제는 장난감 기계와 자전거를 만들어서 파는 직업을 가지고 있었습니다. 그러던 어느 날, 엔진이나 프로펠러 없이 바람의 힘으로 하늘을 나는 기계인 글라이더를 연구하고 직접 타기도 하던 독일인 ‘오토 릴리엔탈’이 글라이더를 타던 중 사망한 사고를 접하게 되었죠. 이 소식에 큰 자극을 받은 형제는 직접 동력 장치를 이용해 하늘을 나는 ‘비행기’를 만들겠다고 결심하게 되었습니다.

그러나 하늘을 날기 위한 날개, 가벼우면서도 강한 엔진 등 비행기를 만들기 위한 부품들을 제작하는 일은 결코 쉽지 않았습니다. 이들의 도전은 수년간 이어졌고 마침내 형제가 직접 제작한 엔진과 프로펠러를 장착한 ‘플라이어호’가 완성되었습니다. 그리고 형제의 첫 번째 비행기는 1903년 인류 최초의 비행이라는 대기록을 만들어 냈습니다.

12초의 비행은 하루 동안 세 번의 추가 시도를 통해 50초대로 늘어났고, 이후 개선을 거쳐 완성된 ‘플라이어 3호기’는 무려 38분 동안 비행하는 데 성공하였습니다. 더이상 인류가 ‘날개’를 얻었다는 사실을 의심하는 사람은 없었죠.


라이트 형제의 첫 번째 비행

이렇게 하늘을 날고 싶다는 형제의 순수한 열정 속에 탄생한 최초의 비행은 점점 발전을 거듭하여 현재 인류는 수백톤의 비행기도 띄워 하늘길을 가로지르고 있었습니다. 라이트 형제가 사람은 날 수 있다는 가능성을 보여주었기에 가능한 일이었습니다.

 

인류에게 인공태양을 선물하다.

 

1939년 미국 물리학자인 한스 베테가 핵융합 과정을 명쾌하게 정리하는 데 성공한 순간, 핵융합이 핵분열 만큼이나 ‘현실적인 에너지원’이 될 수 있다는 사실이 알려졌습니다. 하지만 또 다른 숙제가 주어졌죠. 지구에서 핵융합을 일으키기 위해서는 1억도 이상의 플라즈마를 만들어 유지해야 한다는 것입니다.

대체 고온의 플라즈마 상태를 어떻게 만들고, 어떻게 유지할 것인가. 핵분열처럼 금방이라도 성과를 낼 수 있을 것 같았던 핵융합 연구가 고착 상태에 빠지기 시작했습니다. 다행히 국제협력을 통해 고온의 플라즈마를 가두기 위해선 자기장이나 관성처럼 눈에 보이지 않는 힘을 이용하면 된다는 결론에 도달했지만, 이 아이디어를 장치로 구현하는 것은 또 다른 난관이었습니다.

수십년이 흐른 1968년, 당시 소련의 연구진들은 메가톤급 연구결과를 발표했습니다.

플라즈마 온도 1000만도씨 달성. 가둠성능도 기존에 비해 30배 향상 성공.

이전까지만 해도 100만도씨 달성, 밀리초 단위에 불과한 가둠시간이 놀라울 정도로 늘어났다는 것은 전 세계 핵융합 연구계를 뜨겁게 달구었습니다.


세계 최초의 토카막 T-3

소련의 놀라운 성과를 이끈 ‘인공태양’ 장치의 이름은 T-3(Tokamak-3). 자기장을 이용하여 플라즈마를 가두는 도넛 모양의 장치라는 뜻의 ‘토카막’이 세상에 처음 모습을 드러냈습니다. 토카막은 순식간에 전 세계 핵융합 연구의 총아로 거듭났고 핵융합 연구는 새로운 활기를 띄기 시작했죠.

플라즈마 온도 1000만도씨, 가둠성능도 수초에 불과했던 최초의 토카막은 국제적 협력과 각국의 활발한 투자로 놀라운 발전을 이루었습니다. 토카막 형태로 제작한 우리나라의 인공태양 KSTAR는 지난 2018년 플라즈마 이온온도 1억도 이상을 달성하는 데 성공했으며, 유지시간도 약 90초 달성에 성공하며 100초 유지 성공을 목전에 두고 있죠.

토카막 외에도 다양한 핵융합 장치들이 존재하지만 여전히 토카막은 가장 상용화 가능성이 높은 타입의 장치로 전 세계 핵융합 연구를 주도하고 있습니다. T-3라는 최초의 토카막 장치가 핵융합 연구의 새로운 시대를 연 것입니다.

하지만 핵융합에너지 연구는 아직 끝나지 않았습니다. T-3의 발명만큼이나 핵융합 연구의 판도를 변화시킬 또 다른 최초들을 기다리고 있습니다. 2025년 국제핵융합실험로(ITER)가 완성된다면 인류가 제작한 최대 크기의 인공태양이라는 최초를, ITER 이후에 핵융합 전기 실증을 완료할 DEMO 장치가 완성된다면 핵융합을 통한 최초의 전기생산이, 향후 마침내 핵융합 발전소가 건설된다면 인류 최초의 핵융합 발전소라는 새 역사가 만들어질 것입니다.


현재 세계 최고의 초전도핵융합연구장치로 손꼽히는 한국의 인공태양 KSTAR

 

 

최초에서 최고로 이어진 비결은?

 

에디슨의 백열전구, 라이트 형제의 비행기, 소련의 인공태양 토카막 장치. 이 모든 사례들에는 공통점이 있습니다. 그들 이전에 백열전구의 전신을 만들었던 많은 연구자들, 비행이라는 꿈을 꾸며 하늘을 날고자 시도했던 많은 사례들, 그리고 ‘핵융합’에서 발견한 새로운 에너지의가능성을 키워가고자 했던 국제적 시도들이 성공의 초석을 다져왔던 것이죠.

하나가 더 있습니다. ‘최초’가 최고로 이어질 수 있었던 것은 결국 ‘최초’를 만들어내기까지 어떤 어려움 속에서도 포기하지 않았던 노력 덕분이었습니다. 또한, ‘최초’에서 만족하지 않고 더 나은 결과를 만들어 내려는 노력도 빠질 수 없죠.

에디슨은 축전지를 만들기 위해 2만 5천번 이상의 실험을 거듭한 것으로 알려져 있는데요. 누군가 2만 5천 번의 실패가 쓰리지 않았냐고 묻자, 그는 이렇게 대답했다고 합니다.

 

"나는 2만 5천 번 실패한 것이 아니라, 건전지가 작동하지 않는 법을

2만 5천 가지 알게 된 것뿐입니다."

 

실패에도 결코 멈추지 않았던 ‘좌절금지’가 최초를 최고로 만드는 최선의 방법임을 함께 기억해야 겠습니다.

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