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달나라의 노다지 헬륨-3(3He) 동위원소 김성용 ㅣ한국지질자원연구원
 

미래 청정 에너지 자원으로활용하기 위한 탐사개발기술이 필요하다.

우리 주변국들이 움직이고 있다. 중국의 동북공정, 일본의 독도영유권주장 및 동해명칭 변경을 위한 프로젝트 추진 등이 우리를 긴장시키고 있다. 특히, 일본의 독도 및 동해에 대한 관심증대는 인근 대륙붕에 매장이 추정되는 막대한 양의 에너지자원을 탐내고 있는 것이 주된 이유이다.

전문가들에 의하면 2000년대 중반을 넘어서면 세계인구는 100억명, 1인당 에너지 소비율은 현재보다 50%이상 증가하여 석유를 비롯한 화석연료 매장량은 머지않아 고갈될 전망이 지배적이다. 따라서 대체 에너지원을 확보하기 위한 전 세계의 노력은 필사적으로 이루어져 왔다. 특히, 태양열, 풍력, 지열에너지 등도 아직까지는 세계 에너지 수요의 1%만을 충족시키고 있으며, 이들 수요마저도 에너지 증가율을 미처 충당치 못하고 있는 실정이다.

최근에는 선진국을 중심으로 수소이용 에너지의 실용화를 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 그러나 수소 이용에너지는 엄격한 의미에서 2차 에너지로서 물의 전기분해를 위한 1차 에너지가 있어야 하며 현 단계에서는 연료전지 등 기술적으로 해결해야할 난제가 많아서 확실한 대안으로 자리 잡기 위해서는 장기간이 소요될 것으로 예상된다. 이런 와중에 세계정세 불안정 지속으로 인해 예상보다 빠른 가파른 원유 가격 상승은 대체 연료 개발 및 확보 일정을 앞당기게 만들고 있는 것이다.

하지만 대체 연료는 지구 온난화 방지, 지구환경보전, 이용안전성 측면을 모두 충족시켜야 하므로 선택의 폭이 그리 넓지도 않다. 다시 언급하면 미래의 연료자원은 처분이 골치 아픈 방사성 폐기물이 생기지 않고, 인류에게 치명적인 방사능 누출 위험성이 없고, 지구온난화의 주범인 온실가스 방출이 없고, 현재의 화석연료보다 가격 면에서도 경제적이어야 한다는 것이다.

이러한 조건에 부합하는 연료자원 중의 하나가 헬륨-3(3He-3He) 핵융합반응 에너지이다. 헬륨-3 핵융합반응은 지금껏 사회문제화 되고 있는 핵분열반응, 중수소-삼중수소(D-T), 중수소-중수소(D-D), 중수소-헬륨(D-3He)간 핵융합반응에서 생기는 방사능, 방사성 폐기물 등이 전혀 생기지 않고 핵폭발 위험이 전혀 없는 안전한 핵융합반응으로 알려져 있다.

그러나 불행하게도 지구상에 부존하는 헬륨-3 동위원소는 지하 가스전에서만 극히 초미량 발견되고 있을 뿐이어서 1960년대까지는 미래의 청정 연료자원으로서의 자격은 부합하나 지구상에 적정량이 존재하지 않는다는 단점 때에 더 이상의 연구 및 상용화 기술에 대한 진척이 될 수 없었다. 그러나 미국은 달 착륙 성공에 따라 아폴로 왕복우주선 등으로부터 달 표면 시료를 얻을 수 있었고, 이를 분석한 결과, 헬륨-3이 엄청나게 달 표면에 부존하고 있고, 달 탐사선이 착륙했던 『고요의 바다』 표면에만 채광 가능한 규모가 1백만톤 이상으로 밝혀짐에 따라 새로운 대체 연료자원으로의 연구가 활기를 띄게 되었다.

달 표면은 수십억 년 동안 태양풍으로 통해 헬륨-3이 쏟아져 내려 휘발성 가스성분임에도 불구하고 달 표면토양아래의 티탄철석 광물 공간에 고이 간직될 수 있는 행운이 있었다. 반면에 지구는 같은 기간동안에 거대한 자기장으로 둘러싸여 있어서 태양풍으로부터 날라 온 헬륨-3이 지구에 도달하지 못하고 반사되어 다시 우주로 흩어지고 있는 것이다.

지금껏 선진국이 경쟁적으로 우주(달 및 행성) 탐사개발에 적극적으로 참여하는 숨은 의도는 사실상 우주로부터 대체 에너지로서 헬륨-3를 확보하고 이를 통한 세계 에너지시장의 패권확보가 실질적인 목적임은 이미 밝혀져 있다. 미국의 지난 40여 년간의 우주개발 및 달기지 건설 노력도 달 표면 헬륨-3을 선점하고자 하는 것이며, 중국의 유인 우주선 발사 성공 및 우주개발 참여, EU, 인도, 일본 등의 우주탐사 개발활동 등도 달 헬륨-3 확보에 실질적인 목적이 있다고 할 수 있다. 우리도 다행인 것은 최근에 정부가 입법추진중인 우주개발진흥법이 달 및 행성자원탐사개발 연구분야 활성화에도 크게 도움이 될 것으로 기대된다.

하지만 헬륨-3을 채광하여 지구에 가져오는 일은 결코 쉬운 일이 아닐 것이다. 달까지 왕복선을 보낼 수 있는 국가는 아직까지는 미국과 러시아 정도이기에 이들만이 막대한 헬륨-3을 차지할 수 있을 것이다. 그러나 이들 국가도 성공적으로 달로부터 헬륨-3을 개발하여 지구로 회수하려면 많은 추가 기술 확보가 필요할 것이다. 달기지 건설, 탐사차량 및 채광기 개발, 채광 및 선광 플랜트 구축, 현장 휘발성분 분리회수 기술 등이 개발되어야 하고 헬륨-3 상용화 기술개발 연구도 하여야 할 것이다.

이와 관련하여 현재 미국은 2015년까지 달 헬륨-3을 회수하여 핵융합로에서 실증실험을 거쳐 2025년까지 상용화 달성을 위해 NASA, 위스컨신(메디슨), MIT, 일리노이대, 워싱턴대를 중심으로 한 지속적인 연구가 수행되고 있다. 일본의 경우도 오사카대학, 미래기술연구소 등을 통해 2020년까지 헬륨-3을 채광하고 2025년에 본격 상용화를 목표로 하고 있으며, EU는 프랑스의 Eiffage(Paris), 영국 Joint European Torus(JET), 독일의 Deutsche Aerospace, 이탈리아의 ISPRA 등이 연구를 수행되고 있으며, 그 밖에 러시아, 중국, 인도 등도 헬륨-3 탐사개발 기술연구를 수행 중에 있는 것으로 파악되고 있다.

우리나라도 최근에는 주요국가가 참여하는 국제 핵융합실증실험로(ITER) 개발사업이 활성화되고 있고 우리나라도 금년도부터 국회의 승인을 얻어 참여하고 있으나 연료자원 그 자체를 확보하려는 연구개발은 전혀 이뤄지지 않고 있다. 미국 등에서 연구된 결과에 따르면, 헬륨-3(3He) 융합에너지 30- 40톤이면 미국의 연간 전력 소비량 충당이 가능할 것으로 추산하고 있으며, 우리나라는 연간 1톤이면 충분할 것으로 예상된다. 추정되는 헬륨-3(3He) 1톤의 가격은 30-40억 달러이나 같은 양의 전력을 생산할 수 있는 석유로 환산하면 200억 달러이상이 소요되므로 우리나라의 경우 년 160-170억 달러 정도의 예산 절감효과도 기대할 수 있을 것이다.

그러나 달 왕복우주선을 보유하지 못한 우리나라와 같은 국가는 헬륨-3의 확보가 관건이다. 일정기간이 지나면 우주기술 선도국가들이 지금까지 투입된 예산을 만회하기 위해 동맹국 등에게 관련기술을 상용화하거나 관련 우방 등에게 비싼 가격에 달 왕복선을 판매, 임대하거나 또는 탑승의 기회를 부여할 것이다. 이 때를 대비하여 우리나라도 달 연료자원탐사개발기술을 확보하여야만 미래의 에너지 주도권 싸움 속에서 소외되지 않을 것으로 전망된다.

  문의 : 한국지질자원연구원 김성용 박사
전화 : 042-868-3061
E-mail : ksy@kigam.re.kr
 
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