가. 안정적 전력생산
핵융합 발전은 초기 건설비용이 높고 연료비가 낮기 때문에 기저 전원으로서 역할을 할 것으로 예상되며, 따라서 이용율을 최소 80%
이상 유지하면서 비정상적으로 정지하는 일이 거의 없어야 한다. 그 러나 토카막은 본질적으로 펄스에 의해 전력이 생산되는데, 매우 긴 펄스 모드로 운전된다고 하더라도 단속적으로 가동된다는 점에는 변 함이 없다. 연구자들은 초기 전압상승 이후 플라즈마의 움직임과 안 정성이 몇 시간 동안 유지될 수 있을 것이라고 제안하지만, 이러한 긴 펄스 운전은 안정적이고 지속적인 가동과는 분명한 차이가 있다.
이에 지속적인 가동을 위해 여러 가지 방안이 고려되고 있는데, 최 후의 대안으로는 하나의 발전소 안에 여러 개의 토카막을 두는 방법 이 있다. 예를 들어, 두 개의 토카막이 번갈아가며 가동하여 지속적 인 전력생산을 하는 것이다.
이렇게 안정적이고 지속적인 전력생산이 어렵다는 점에 대용량 전 원이라는 특성이 겹치면 더 큰 문제가 발생할 수 있다. 핵융합 발전 은 1.5GW 이상의 용량을 가질 것으로 예상되는데, 갑자기 가동이 멈춘다면 안정적인 전력수급에 위험한 요소가 된다. 또한 핵융합 발 전은 초기 가동을 위해 대규모의 전력이 필요하기 때문에, 재가동을 위한 전력을 공급받는데도 어려움이 있을 것으로 예상된다.
11) 본 절은 Institute of Physics(2008.9), “Fusion as an Energy Source : Challenges and Opportunities”와 국가핵융합연구소(2015.3), “인류가 원하는 미래에너지 - 핵융합의 세계”를 참고하여 작성하였음.
나. 극한 상황을 견디는 재료의 개발
핵융합 발전에 이용되는 구조물들은 극한의 상황에 처하게 되며, 이러한 극한의 상황을 견딜 수 있는 재료기술의 개발이 필요하다.
토카막 안에서 핵융합반응으로 인해 발생한 플라즈마는 매우 뜨거 운데, 이와 직접 접촉하는 것은 블랑켓과 다이버터이다. 블랑켓은 핵 융합이 일어나는 진공용기를 감싸는 것으로 중성자 에너지를 열로 변환하고 리튬을 이용해 삼중수소를 증식하는 역할을 한다. 다이버 터는 핵융합 반응에 쓰이지 않은 연료나 헬륨재를 핵융합 반응에 방 해가 되지 않도록 배출해주는 장치이다. 이 두 가지 장치가 받는 열 부하가 매우 높기 때문에 열 부하를 최소화하거나 견딜 수 있는 재 료를 개발해야 한다. 특히 블랑켓은 중성자의 운동에너지를 효율적 으로 흡수하고 냉각재에 열을 전달해야 하고, 삼중수소도 만들어야 하기 때문에 이러한 역할을 수행할 수 있는 재료의 개발이 필요하 다.
또한 핵융합 발전과정에서 플라즈마를 제어하기 위해 매우 높은 자기장이 반복적으로 가해지는데, 이로 인해 구조물에 피로가 쌓이 게 된다. 이러한 요인들은 구조물의 내구성을 약화시켜 부품을 자주 교체해야만 한다.
다. 삼중수소, 헬륨 등 원료 공급
삼중수소는 지구상에 자연적으로 거의 존재하지 않는다. 전 세계 에서 자연적으로 존재하는 삼중수소는 4kg이고, 인공적으로 약 40kg 이 만들어지는 것으로 알려져 있다. 그러나 핵융합발전소 1기가 1년
에 사용하는 삼중수소의 양은 약 100kg에 달할 것으로 예상된다.
따라서 블랑켓에서 충분한 양의 삼중수소를 공급해주어야 하는데, 한 개의 중성자가 블랑켓에서 만들어내는 삼중수소는 현재의 설계값 기준으로 1.15개를 넘지 못하고 있다. 이 정도의 양으로는 자체적으 로 핵융합발전에 필요한 삼중수소를 충당할 수 없으며, 더 많은 삼 중수소를 만들어내는 블랑켓을 개발해야 한다.
라. 경제성
핵융합발전의 경제성을 위협하는 요소들이 많아 상용화에 장애물 이 될 수 있다. 핵융합으로 인해 발생한 중성자들은 주변의 장치들 과 부딪히고, 그 장치들은 방사화가 된다. 방사화된 장치들을 자주 교체해주어야 하는데 그 과정에서 경제성이 악화될 수 있다. 또한 방사화된 물질은 사람 손으로 직접 처리할 수 없기 때문에 원격 조 종 로봇을 사용해야 하는데 이 과정에서도 비용이 상승할 여지가 있 다. 또한 아래 3장에서 핵융합발전비용에 대해 분석한 선행연구들을 살펴보면 경쟁 에너지원에 비해 핵융합의 발전비용이 높은 것으로 나타나고 있어, 상용화에 가장 중요한 경제성 확보가 시급한 것으로 보인다.