핵융합 효율 개선 방안 탐구

박여은․서지호․송채정․이수현

전북과학고

Ⅰ. 고온가스로형 원자로 기반 수소 생산 기술을 산업에 적용할 때, 가장 시급한 기술적

과제는 무엇이며, 이를 해결하기 위해 다른 분야의 어떤 기술과 융합할 수 있을까?

고온가스로형 원자로는 높은 열효율과 S-I사이클의 높은 효율성을 토대로 하여 차세대 수소 생산 기술로서의 잠재력을 보여준다. 그러나 이 시스템의 구성 요소는 고온, 고압, 고방사선, 고부식성의 상황에서도 안정적으로 작동해야 하기 때문에 이에 대응할 수 있는 Cr, Al과 같은 고합금 재료와 Hastelloy, Inconel과 같은 합금이 사용된다. 이때 금속부품이 반복적인 열사이클에 노출된다면 열응력이 집중되어 장기적으로 노출될 시 금속의 균열, 변형등이 발생하게 되어 오작동, 내부 물질 유출이 유발될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 다음과 같은 기술과의 융합이 대표적인 예시로 들 수 있다.

(1) 재료공학 기술

고온에서도 기계적 강도를 유지할 수 있는 금속-세라믹 접합체, 강화탄화규소, 다층 세라믹 코팅 기술 등을 이용하여 내열성, 내식성, 내방사성을 확보할 수 있다. 또한 금속과 같은 특성을 가지지만 열응력에 대하여 안전한 재료를 개발하여 기존 금속의 대체제로도 사용할 수 있다.

(2) 정밀 공정 제어 기술

센서 기반의 피드백을 통하여 가스 노출등의 피해가 발생하지 않도록 실시간 반응 조건 모니터링을 진행하며, AI 기반 유지보수 기술을 개발하여, 이상 징후를 실시간으로 분석하여 사고를 사전 예방한다.

(3) 안전 설계 기술

HTGR의 문제점 중 하나는 사고가 일어나게 된다면 회생 불가 수준의 주변 환경 파괴와 인명피해가 발생하게 된다. 이러한 문제는 기술의 양산화를 못하는 이유중 하나이다. 사고가 발생하여도 피해를 줄이기 위해서 밀폐 격납 구조를 이용하여 건물을 설계하고, 사고 발생시에 이에 대응할 수 있는 기술이 있어야한다.

2. 열화학적 수소 생산 기술에서 사용하는 고온 내구 소재나 자동제어 시스템을 다른 산업    분야에서는 어떻게 활용할 수 있을까?

(1) 건설 분야

고온 열사이클로 인해 금속의 열응력이 집중되어 파괴되는 것을 막기 위한 만든 비등방성 열전달 특성을 가진 복합 소재의 개발은 열전도율 조절과 열충격 저항의 특징을 지닐 수 있다. 이러한 재료는 열적 팽창률이 낮고, 내부  응력의 분산이 뛰어나 다리와 같은 구조물에 대한 수명을 증가시킬 수 있다.

(2) 에너지 생산

핵융합장치는 초고온의 플라즈마 환경에서 핵을 융합하는 장치로 방사성 물질을 사용하지 않아 차세대 에너지 발전 기술로써 집중되어지고 있다. 그러나 아직 초고온의 환경으로 인하여 오래동안 작동시킬 수 없다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 영화학 수소 생산에서 사용하는 재료들을 사용하여 핵융합 장치의 블랭킷, 진공 챔버, 코일 냉각 구조물을 제작한다면 해당 문제에 대한 해결방안이 될 수 있을 것이다.

3. 이 기술이 실제 사회에 도입될 경우, 어떤 환경적, 사회적 문제들이 제기될 수 있으며

이를 해결하기 위한 조건은 무엇일까?

(1) 환경적 문제: 고온 헬륨 누출 및 열 방출에 따른 생태계 영향

HTGR은 700~950°C의 고온 헬륨 가스를 사용하여 열화학 반응을 유도하는데, 고온 가스 누출이나 설비 이상 시 열 방출과 고속 가스 유출이 주변 환경에 피해를 줄 수 있다.

과학적 배경

헬륨은 비활성이지만, 고온 상태에서는 기계 부품을 손상시키고, 열전달 경로에서 급격한 팽창을 일으킬 수 있다. 이러한 열적 스트레스는 주변 대기의 대류 흐름을 교란시키고, 인근의 미세기후 변화, 생물 군집 열 스트레스, 수분 증발 가속화로 이어질 수 있다.또한 열화학 반응 과정에서 사용하는 화학물질(예: 황산, 요오드)은 유출 시 토양 산성화, 수질 오염을 유발할 수 있다.

해결 조건

다중 열차단 및 밀폐 시스템을 설계하여 헬륨 누출 시 빠르게 격리할 수 있어야 하며, 각 배관과 열교환기에는 비상 차단 밸브와 자동 열팽창 완충 시스템이 설치되어야 한다. 생태계 실시간 모니터링 센서 네트워크를 통해 토양, 대기, 수질 변화를 지속적으로 감시해야 하며, 사고 시 AI 기반 누출 확산 예측 시스템을 통해 신속한 조치를 취할 수 있어야 한다

(2) 사회적 문제: 방사선 안전성과 인근 지역의 수용성 부족

HTGR은 사용 연료가 TRISO 입자 형태로 안전성이 높지만, 여전히 원자로 기반 시스템에 대한 국민적 불신이 크다. 이는 설치 인허가, 지역 반발, 재산권 문제, 심리적 위축 등으로 이어질 수 있다.

과학적 배경

TRISO 연료는 내열성과 내방사선성이 뛰어나지만, 사용 후 연료의 처리, 저장, 폐기 과정은 여전히 고방사성 폐기물 관리 기술을 필요로 한다.수소 생산이 이루어지는 고온 환경은 중성자 플럭스, 감마선 방사선 등의 발생 가능성을 배제할 수 없다. 이러한 위험성은 기술적 신뢰도와 별개로, 인근 주민의 거부감과 정치적 저항으로 연결되기 쉽다.

해결 조건

선제적 환경방사선 감시 체계를 구축하고, 이중 차폐 격납 구조, 사용후 연료의 소형화·고체화 기술, 방사선 차폐 최적화 알고리즘 등이 확보되어야 한다. 주민이 직접 참여하는 지역 기술감시위원회, 공개 데이터 시스템, 거버넌스 기반 의사결정 체계를 도입하여, 기술의 불확실성과 사회적 불안감을 줄여야 한다.

(3) 기술적 문제: 고온 시스템의 장기 내구성과 유지관리 어려움

HTGR과 S-I 사이클 공정은 고온·고압 조건에서 장기적으로 운영되어야 하기 때문에, 설비 열화나 미세 균열이 발생할 경우 시스템 전체에 치명적 손상을 줄 수 있다.

과학적 배경

고온과 방사선이 복합 작용하는 환경에서는 열응력, 크리프, 피로균열, 산화 부식이 누적되어 구조적 안정성을 감소시킨다. 특히 열화학 반응기 내부는 황산·HI 등 부식성 물질과의 장기 접촉으로 인해 예상 수명보다 빠르게 손상될 수 있다. 한 번의 미세 손상이 연쇄적으로 누적되어 예기치 못한 사고로 이어질 위험이 크다.

해결 조건

고온·방사선 내구 소재의 지속적 연구 외에도, **AI 기반 피로 예측 모델(PHM)**과 실시간 열응력 계측 센서, 자율 점검 드론 등을 활용한 무중단 설비 감시 시스템이 필수적이다. 이를 통해, 고장이 나기 전 교체·보수 가능, 중단 없는 운전 가능, 정비 비용 최소화 등의 운영 조건을 만족시켜야 한다