초록
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문서암호 : www.kosen21.org
요 약 문
1. 제목 : 해외의 핵융합 및 플라즈마 응용분야 연구동향 조사
2. 연구의 목적 및 필요성
플라즈마란 매우 높은 온도 등에서 이온이나 전자, 양성자와 같이 전하를 띤 입자들이 기체처럼 섞여 있는 상태를 말하며, 제 4의 물질 상태라 일컬어지고 있다. 플라즈마는 미국의 물리화학자 랭뮤어(Irving Langmuir; 1881-1957)가 아크등의 방전현상 연구 중 발견하여 처음으로 플라즈마라는 용어와 개념을 도입하였다. 이러한 플라
문서암호 : www.kosen21.org
요 약 문
1. 제목 : 해외의 핵융합 및 플라즈마 응용분야 연구동향 조사
2. 연구의 목적 및 필요성
플라즈마란 매우 높은 온도 등에서 이온이나 전자, 양성자와 같이 전하를 띤 입자들이 기체처럼 섞여 있는 상태를 말하며, 제 4의 물질 상태라 일컬어지고 있다. 플라즈마는 미국의 물리화학자 랭뮤어(Irving Langmuir; 1881-1957)가 아크등의 방전현상 연구 중 발견하여 처음으로 플라즈마라는 용어와 개념을 도입하였다. 이러한 플라즈마는 우주의 99% 이상을 차지하고 있는데 반해, 플라즈마에 관한 교육이 상대적으로 적은 양을 차지하고 있는 기체, 액체, 고체 상태에 대한 교육에 비해서 훨씬 뒤쳐져 있다는 것이 현재의 상황이다.
이와 같이 일반인에게는 조금 생소할 수 있는 플라즈마는 다양한 부분에서 미래 첨단 기술의 원천을 제공하고 있다. 대표적인 예로는 미래의 에너지로서의 플라즈마 응용방법인 핵융합을 들 수 있다. 고갈되어가는 화석에너지를 대체할 가장 유력한 수단으로서, 핵융합 발전은 수소 원자핵 등으로 섭씨 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어 에너지원으로 이용한다는 응용이며, 원자력 발전의 핵폐기물에 대한 위험성 등이 없는 아주 깨끗한 에너지원으로서 이상적인 미래 에너지원으로 생각되어진다. 이러한 인류의 시대사적 숙제인 미래 에너지 문제를 해결하기 위하여 태양에너지의 원천인 핵융합에너지를 지구상에 실현하자는 노력이 미국, 유럽, 러시아, 일본 등 선진국들을 중심으로 부단히 경주되어 왔으며, 특히 토카막 등 대형 핵융합 실험 장치들의 건설 및 연구개발에 대규모 연구비를 투자하여 여러 가지어려움 속에서도 핵융합에너지 분야에 커다란 연구 성과를 거두었다.
이러한 성과를 바탕으로 핵융합에너지의 실현을 위한 최종 기술적, 공학적 실증의 필요성을 공감하고, 국제협력을 통한 투자비 절감 및 기술 개발 기간 단축 등을 목적으로 1988년 상기 선진 4개국이 공동으로 토카막형 국제핵융합실험로(ITER)를 건설하기로 하였다. 이 프로젝트에 최근 한국, 중국, 인도가 추가로 참여함으로써, 전세계인구의 절반 이상이 참여하는 세계 최대의 연구개발과제로 탈바꿈하게 된 것이다.
핵융합에너지의 원천은 태양에서 찾을 수 있다. 태양 내부에서 가장 가벼운 원소인 수소 원자핵들이 결합하면서, 헬륨 원자핵이 만들어지고 그 결합 과정에서 질량 결손에 의하여 엄청난 양의 에너지가 발생하게 된다. 지구상에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 연료로 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소가 필요한데, 중수소는 바닷물 속에 무한대로 함유(0.03%)되어 있으며, 또 다른 연료인 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬을 핵변환 시켜 얻을 수 있는데, 이 역시 지구상에 충분히 분포되어 있다.
이렇듯 핵융합에너지의 원료는 우리 인류가 수 천 년 동안 쓰고도 남을 만큼 지구상에 충분히 존재하고 있다. 그리고 핵융합에너지는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 배출하지 않으며, 고준위 방사성폐기물이나 사용 후 연료 등을 원천적으로 발생시키지 않는 장점이 있을 뿐만 아니라, 연료를 외부에서 주입하기 때문에 원료 주입을 중단하면 핵융합 반응이 중단되어 핵융합로 자체가 원천적으로 안전한 장점도 갖고 있다.
다만 아직도 과학 기술적으로 그리고 재료적 측면에서도 해결해야 할 점들이 많이 있는 것도 사실이지만, 이들 역시 ITER 장치를 통한 연구 개발이나 각 국의 연구 개발 등을 통해 상용화에 도달하는 2030년 쯤에는 충분히 해결할 수 있으리라 판단된다. 따라서 국내에서 2030년대 핵융합에너지의 상용화에 대비한 핵융합 기술자립 및 원천기술 확보에 기여할 수 있도록 선진국의 최근 연구동향에 신속히 대응하고 이를 통해 미래 핵융합에너지의 조속한 실현을 위한 노력에 최선을 다해야 할 것이다.
○ 핵융합 선진국인 EU, 미국 및 일본은 핵융합 상용화 『지름길(Fast- Track)』계획을 수립하여 향후 35년 이후 핵융합에너지 상용화 추진
○ 유럽연합은 핵융합 관련 기술 보유 산업체들이 주축이 되어 결성된 EFET (유럽 핵융합기술연합회)을 중심으로 JET (Joint European Torus) 건설 참여, ITER 공학설계 단계 및 장치 건설 참여, 이를 바탕으로 차기 핵융합로 설계?건설에 참여 계획
※ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor : “국제핵융합실험로”) : 평화적으로 사용할 수 있는 핵융합 에너지 개발에 대한 기술적 가능성을 확인?검증하는 대형 국제협력 프로젝트로서 현재 프랑스 카다라쉬에 장치를 건설 중임
○ 일본 역시 핵융합 관련 기술 보유 산업체들이 주축이 된 JEMA (일본 전기공업회)를 중심으로 기존의 일본 국내 핵융합장치 건설 및 ITER 공학설계?장치건설 단계에서 주도적 역할 수행, 향후 핵융합로 설계?건설에도 적극 참여 계획
○ 2003년 11월 미국 에너지부는 향후 20년간 미국을 과학선두 주자로 유지하기 위한 미래 과학장치 28개를 선정하면서 최우선 순위로 ITER 장치를 배정하였으며, 러시아 역시 핵융합에너지 개발 관련 선발주자로서 그 위상을 더욱 공고히 하기위해 ITER 장치건설에 참여하고 있음
○ 아국을 포함한 중국, 인도 등의 후발주자들은 상기 선발주자들을 따라잡기 위해 ITER 장치건설에 참여하고 있으며, 결과적으로 핵융합에너지를 상용화하기 위한 핵심기술인 핵융합발전로용 삼중수소 증식용 블랑켓 개발에 대해서도 그 역량을 아끼지 않을 수 없는 상황임
○ 따라서 화석연료 고갈과 환경오염, 기후 온난화 및 핵확산에 대처할 수 있는 유일한 에너지원인 핵융합에너지 관련 세계적 정책 및 협력여건을 시의적절하게 파악하고
○ 관련 연구기관 및 과학기술자에 대한 현황을 파악함으로써 여타 핵융합에너지 개발국과의 보다 실질적이고 효과적인 과학기술협력을 위한 기초자료로 제공하는 것이 필요함
플라즈마 응용과 관련해서는 우리 주변에서도 쉽게 볼 수 있다. 작게는 가정에서 흔히 쓰이는 형광등에서부터, 복잡하게는 차세대 디스플레이 수단으로 유망한 PDP(Plasma Display Panel)까지 플라즈마의 형광 기술이 쓰이고 있으며, 고압전류에 의해 플라즈마에서 발생하는 오존을 이용하여 악취성분을 분해하는 기술을 이용해, 에어컨, 공기청정기, 탈취제 등으로도 쓰이고 있다. 그리고 최근에는 저온 플라즈마를 이용하여, 쓰레기 소각장에서 나오는 다이옥신 등의 각종 발암 물질과 유해가스를 완전 분해할 수 있는 장치 개발 등도 연구되고 있다.
이 밖에도 반도체 소자나 청색 발광 다이아몬드 등과 같은 신소재 합성, 섬유나 재료의 기능을 향상시키는 고분자의 표면처리, 금속 표면의 내마모, 내부식 성질 개선을 위한 금속 표면처리 등 다양한 부분에서 플라즈마는 폭넓게 응용되어지고 있다. 또한 최근에는 플라즈마를 이용한 의료 장비들의 개발도 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근 들어 전자, 이온으로 구성된 플라즈마에 대전된 먼지 입자를 하나 더 고려하여 플라즈마의 성질을 연구하는 일명 더스티 플라즈마(Dusty Plasma)에 대한 연구가 활발해지고 있으며, 더스티 플라즈마는 또한 콤플렉스 플라즈마(Complex Plasma) 불리기도 한다. 이러한 더스티 플라즈마는 플라즈마의 응용성을 더욱 넓히고 있으며 최근 약 15년간 이 분야에 대한 연구는 엄청난 성장속도를 보이고 있다.
플라즈마에 첨가된 먼지 입자들은 플라즈마의 성질을 변화시키는데, 특히 저 진동수 영역의 플라즈마 웨이브들에 많은 영향을 미친다. 더스티 플라즈마는 입자들 간의 포텐셜 에너지 크기에 따라 Weakly coupled와 Strongly coupled로 나누어지는데 특히 Strongly coupled 더스티 플라즈마는 그 특성이 반도체 공정 플라즈마와 매우 흡사하여 응용되고 있으며, 또한 격자구조를 보이는 입자들 간의 특성을 이용하여 고체 물성 등의 연구에도 응용되어지고 있다. 더스티 플라즈마는 우주 공간의 플라즈마를 연구하는데 응용되어질 뿐 아니라 앞선 말한 반도체 공정에도 응용되고 있으며, 나아가 최근 각광받고 있는 나노과학 기술에도 응용되고 있는 분야이다. 또한 핵융합 공정에 있어서도 최근에는 장치 내에 발생하는 불순물들에 대한 연구로서 이 더스티 플라즈마가 많이 이용되고 있다.
우리나라는 정부 지원으로 핵융합 장치(KSTAR)가 대전에 핵융합센터 내에 제작되어 활발한 연구가 진행되어지고 있으며, 각 기업들 또한 각종 플라즈마 응용 분야에 있어 세계에서 선두적인 연구를 이끌어 가고 있다. 그러나 다양한 플라즈마 응용분야에 비해서 우리나라에서 연구되어지고 있는 응용분야는 일부 작은 영역일 뿐이며, 이에 미국에서의 플라즈마 연구 동향을 조사해서 우리나라 플라즈마 연구를 차세대 성장 동력으로 삼을 수 있는데 도움이 될 것이다.
3. 연구의 내용 및 범위
전 세계 주요 연구기관 특히 미국 및 유럽연합(판다, Panda)에서 연구되고 있는 핵융합로의 디자인 및 그 특성을 조사하였다. 또한 한국을 비롯하여 미국, 일본, 중국, 인도로 구성된 ITER에서 최근까지 연구되고 있는 핵융합로의 기술적 진척내용을 비교 및 간략하게 종합 정리하였다. 또한 미국, 일본 및 러시아 등에서의 핵융합로 개발 및 응용 현황 그리고 공동연구 내용을 소개하였다. 플라즈마는 반도체, 의학, 생명공학 그리고 환경 분야에서 기술 개발 및 그 응용연구를 소개하였다. 특히 상압 플라즈마를 이용한 의학에서의 적용 연구 내용을 좀 더 중점적으로 조사하였다. DIII-D, Alcator C-Mode 등의 토카막 형태의 핵융합 장치들 및 NSTX, MST 등의 대안적 핵융합 장치들을 포함한 미국의 대표적 핵융합 장치들에 대해 조사하였으며, 또한 핵융합 관련 이론 연구들 동향과 시뮬레이션 동향을 조사하였다. 다음으로 플라즈마의 응용 분야인 저온 플라즈마의 동향을 조사하여 정리하였고, 그리고 최근 새로운 플라즈마 연구 분야로서 떠오르고 있는 분야 중, 음이온 플라즈마와 더스티 플라즈마를 조사하여 정리하였다. 마지막으로 플라즈마 및 핵융합 기초교육을 위해 실시되고 있는 교육프로그램을 소개하였다.
본 연구에서는 미국 내 핵심 연구기관(PPPL, ORNL, LLNL) 및 주요 대학교들(MIT, UCLA, 텍사스)에서의 최신의 연구자료 및 문헌을 수집하였다. 또한, 플라즈마 응용에 대해서는 가능한 다양한 분야를 조사하였다. 특히 산업체 플라즈마 응용 기술에 초점을 맞추었으며, 그 분야를 구체적으로 기술하면 다음과 같다.
- 핵융합 분야
상반기 중점과제 : 2007년도 핵융합발전로 개발 관련 정책동향
하반기 중점과제 : ITER 국제기구 삼중수소 증식용 블랑켓 시험 계획
- 플라즈마 응용분야:
Plasma Processing, thin film deposition
Plasma-based lighting systems
Plasma chemistry
Plasma spray and bulk materials work
Sources and display systems
Environmental and health applications
Materials synthesis
Switches, relays, focus, antennas
Power systems, thrusters
더스티 플라즈마에 대해서는 미국 내의 연구동향을 수집 분석하였으며, 더스티 웨이브(Dusty wave), 더스티 크리스탈(Dusty Crystal), 마이크로 그래비티(Micro Gravity)등의 다양한 분야와 그 응용 가능성 등을 소개하였다.
4. 정보조사의 활용계획
본 조사내용은 대전 기초과학연구소에서 진행되고 있는 한빛 및 K-star 연구의 지침으로써 플라즈마 진단 및 융합로 디자인에 대한 정보를 제공할 것으로 전망된다. 또한 정부차원 및 핵심 연구기관들의 차세대 핵융합로 설계 및 운영과 활용계획에 대한 선행 자료로 사용될 수 있을 것으로 전망된다. 또한 저온 플라즈마 응용연구는 의학에서 상압 플라즈마의 주요 연구 흐름이 제안되어 각 의학 관련 기관 및 대학 등에서 의학 및 생명공학에 플라즈마의 다각적인 응용가능성에 대안인지를 바탕으로 보다 탄력적인 연구를 독려할 수 있을 것으로 전망된다.
핵융합 동향 및 향후 계획을 통하여 우리나라 핵융합 장치인 K-Star 연구의 수준을 가늠하고 앞으로의 연구 계획 수립에 참고가 될 것이다. 저온 플라즈마 연구는 이미 산업계에 많이 응용되고 있지만 앞으로 가능성 있는 분야들이 아직도 활발히 연구 진행 중에 있으며 우리나라 대학 연구소들의 산학협동 연구 소재로 아주 적합한 분야로서 도움이 될 것이다. 새로운 플라즈마 분야로서 음이온 플라즈마와 더스티 플라즈마는 아직 국내에서는 많은 연구가 이루어지지 않고 있다. 이들 플라즈마는 기초과학으로서 뿐만 아니라 응용성에서도 그 가능성이 높게 평가되고 있으며, 특히 최근 더스티 플라즈마의 연구는 그 입자의 크기가 점점 작아져 나노 크기까지 내려감에 따라 양자 효과 까지도 고려하고 있으며, 이는 또한 양자 플라즈마로 불리며(Padma k. Shukla, 49th Annual Meeting of DPP, APS, 2007), 나노 와이어, 유기광학 등에서의 초미세 전자장치 등에 응용될 수 있는 분야로 전망되고 있다. 이처럼 급격하게 연구가 성장하는 분야인 만큼 우리나라에서도 많은 연구가 이루어지기를 기대한다.
본 연구를 통해 얻어진 자료는 국내의 관련기관(수요기관: 약 20개 기관)에 배포되어 활용될 것이다. 또한 본 조사연구를 통해 얻어진 시사점은 국가의 관련 연구 기획에 반영함으로서 본 연구를 통해 얻어진 정보가 국가의 R&D 및 관련 연구의 발전을 위한 산업체의 기술개발 및 상용화에 크게 활용될 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.