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기사입력 : 2013.09.02 19:28
[특집-에너지의 재발견]
에너지 문제가 심각하다. 올 여름만 해도 장마 끝에 찾아 온 폭염 속에서 연일 최고 기온을 갱신하며 전력경보가 20번을 넘었다. 정부가 에너지 문제의 위기를 해결하기 위해 고심하고 있지만 무엇보다 에너지수요관리 강화, 에너지 공급 안정, 신에너지 발굴, 지구온난화 억제 등의 노력이 필요한 시점이다. 이에 주간인물 WEEKLY PEOPLE은 3편에 걸친 ‘에너지의 재발견 특집’을 기획, (주)KSN에너지의 플라즈마 보일러를 집중 조명하여 에너지 관련 신기술에 관한 인식을 고취시키고자 한다. <편집자 주>
2편- 플라즈마, 그 실체를 파헤치다
플라즈마란 무엇이고, 플라즈마가스 생성의 기본원리는 무엇인가?
플라즈마란 거의 같은 수의 양이온과 음이온이 존재하는 상태로 정의된다. 플라즈마가스란? 고온에서 물질이 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 상태를 말한다. 물질에 열(熱)을 가하면 원자들 간의 충돌로 인해서 많은 수의 전자들이 원자핵의 구속에서 벗어나게 된다.
이런 상태가 바로 ‘물질의 제4상태’인 ‘플라즈마(Plasma)가스’이고 ‘이온화된 기체’라 정의된다. 제4의 신(新)물질이란? 기체의 일부가 전리된 가스의 상태로 외부의 전자기장에 영향을 받고 전기를 통과시키며 발광하는 에너지가 바로 ‘높은 기체의 영역’이다.
그러므로 플라즈마가스 생성의 기본원리는 다음과 같다. 예컨대 ‘플라즈마 상태의 높은 기체열에너지’를 가열된 고압과 진공상태의 튜브(Tube)관 속에, 모터에 압력을 주어 물을 진공의 튜브(Tube)관을 통과시키면서, 물의 입자가 분리되어 물속에 들어있는 수소를 분열시키고 동시에 다시 융합시키는 원리(전기분해방식)에 의해 초고온의 열(熱)을 발생시킴으로써, 물의 온도를 105~125℃까지 높여 물과 증기(스팀)를 토출시켜줌으로써 에너지의 효율(COP)을 극대화시키는 원리다.
<'플라즈마_융융로'의 실제 모습>
◆ 초고온 열(熱)에너지를 얻는 ‘플라즈마 수소분열융합과정’
플라즈마의 기본원리는 아인슈타인의 특수상대성이론인 에너지질량등가공식(E=mc²)의 바탕에서 출발한 것이다. 반면에 이런 플라즈마 기본원리와는 대조적으로 핵분열반응을 이용한 것이 바로 원자력발전이라 이해하면 된다.
원자의 속을 자세히 들여다보자. 원자의 내부에는 핵(核)이 있고, 그 핵의 내부에는 중성자와 양성자라고 하는 아주 작은 입자가 있다. 이런 중성자와 양성자 중에서 양성자의 수가 원자의 종류를 결정하게 된다. 결국 양성자가 1개가 있으면 수소로 분류되고, 2개가 있으면 헬륨으로 분류가 된다.
그런데 핵(核)융합이 일어나면 중성자와 양성자가 서로 합쳐져 융합이 되면서 또 다른 새로운 원자의 핵을 구성하게 된다. 만약 이때에 양성자가 1개인 수소가 합쳐져 융합하게 되면 1개의 헬륨이 생겨나게 된다.
<플라즈마보일러 온수탱크>
◆ ‘플라즈마 수소분열융합 보일러’는 폭발의 위험이 전혀 없다!
마치 1+1=2처럼 이러한 핵융합의 과정이 계속 진행이 되면 초고온의 아주 큰 에너지가 발생하게 되는데 이러한 원리를 이용하여 초고온의 플라즈마가스를 생성해 낼 수가 있다. 바로 이러한 원리를 이용하여 만들어지는 것이 바로 ‘플라즈마 수소분열융합보일러’이다.
고압 진공상태의 초고온 플라즈마의 분열, 융합반응을 통해 생성된 중성자의 열(熱)에너지가 증기를 발생시키고, 플라즈마로 변한 중수소가 분열, 융합반응을 일으키면서 헬륨과 다량의 중성자가 발생되게 되는데, 이때에 방출되는 열(熱)에너지로 초고온을 얻는 방식이 바로 ‘플라즈마 수소분열융합보일러’가 채용하는 방식이다.
수소 1㎏은 35,000㎉의 에너지를 방출한다. 전기로 물(H₂O)에서 수소와 산소를 분리분열하고, 수소로 에너지를 얻기 위해 다시 결합융합을 시킨다. 수소와 산소가 물로, 물이 다시 수소와 산소로 그 형태를 바꿔 순환하는 형태로 그런 순환과정이 동작되기 위하여서는 외부에서 최소적정량의 물과 전기에너지가 유입되어야함을 그 전제조건으로 한다.
수소의 이런 분열과 융합의 과정에서 나타나는 질량의 감소가 바로 엄청난 양의 에너지로 방출되게 되는데 이것이 바로 ‘수소분열과 융합의 에너지’라고 정의할 수 있다.
이러한 플라즈마가스 생성의 원리를 이용하는 ‘플라즈마 수소분열융합보일러’는 임계점 이상(800~1,000℃)의 온도가 주어질 때에 발생되는 ‘플라즈마 상태의 높은 기체열에너지’를 이용하는 세계최초 ‘발명특허 제10-1288803호’의 난방장치 신기술(NET)이다. 이때에 동원되는 고도의 기술이 바로 ‘수소분열기술’과 ‘중수소융합기술’이다.
항간에 수소폭탄을 연상하는 사람들은 간혹 수소라는 용어가 들어가는 제품이기에 ‘플라즈마 수소분열융합보일러’가 폭발의 위험이 있는 것으로 오해를 하는 경향들이 있다. 그러나 수소 중에서 폭발의 위험이 전혀 없고 가장 안전한 중수소를 활용하는 기술이기에 그런 걱정은 떨쳐버려도 된다.
<플라즈마보일러 온수탱크>
[도움말_(주)KSN에너지 노병한 대표이사]
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