[초점] 현실로 다가온 핵융합 에너지, 美·英·中 '슈퍼 베팅'

기후 변화가 인류의 미래를 위협하면서 에너지에 대한 관심이 어느 때보다 높다. 화석 연료를 줄이고 재생에너지로 교체하려는 속도를 향상하려고 하나 재생에너지 수급이 인류가 사용하는 에너지에 턱없이 부족해 2050년까지도 화석연료와 재생에너지의 통합사용이 불가피할 전망이다.

과학자들은 에너지의 대안으로 핵융합 발전(즉, 핵융합 반응의 열을 사용하여 전기를 생성)을 위해 노력해 왔다. 연구 분야로 시작될 때 부터 실행 가능한 핵융합 동력은 항상 가까이에 있었지만 이번에는 실제로 사실일 수 있다.
핵융합의 실용화 목표는 2030년대 말과 세기 중반까지 시장 점유율이 확대되어 화석 연료 발전과 재래식 원자력 에너지를 대체하고 풍력 및 태양열과 같은 재생 에너지와 협력하여 기본적으로 탈탄소화를 수행 하는 데 있다.


핵융합 발전은 핵융합 반응을 이용하여 전기를 생산하는 실험적인 형태의 발전이다. 핵융합 과정에서 두 개의 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵을 형성하면서 에너지를 방출한다. 이 방식으로 에너지를 생산하는 장치를 핵융합로라고 한다.
융합은 태양(및 별)이 에너지를 생성하는 것과 동일하다. 과학자들은 그것이 지구상의 우리 삶에 전력을 공급하기 위해 사실상 무제한 무탄소 전기를 제공할 가능성이 있다고 생각한다.

핵융합 공정은 핵융합이 일어날 수 있는 플라즈마를 생성하기 위해 충분한 온도, 압력 및 구속 시간을 가진 제한된 환경과 연료를 필요로 한다. 태양에서 가장 일반적인 연료는 수소이고 중력은 핵융합 에너지 생산에 필요한 조건에 도달하는 매우 긴 감금 시간을 제공한다.

핵융합로는 일반적으로 중수소 및 삼중수소(특히 둘의 혼합물)와 같은 수소 동위원소를 사용하며, 이는 수소보다 더 쉽게 반응하여 덜 극한 조건에서 로손 기준 요건(핵융합 때의 에너지의 출력이 플라스마 가열 에너지의 두 배가 되는 경우)에 도달할 수 있도록 한다.


핵융합 동력은 현재 사용 중인 연료 소비 에너지원보다 주어진 연료 중량에 대해 더 많은 에너지를 제공한다. 연료(주로 중수소)는 바다에 풍부하게 존재한다. 해수에 있는 5600개의 수소 원자 중 약 1개가 중수소다. 이것은 약 0.015%에 불과하지만 해수는 풍부하고 접근하기 쉽다. 이는 핵융합이 수백만 년 동안 세계의 에너지 수요를 공급할 수 있음을 의미한다.

핵융합 동력은 태양계 내에서 소위 ‘심층 우주’ 추진과 반물질-융합 하이브리드 드라이브를 포함하여 태양 에너지를 이용할 수 없는 성간 우주 탐사에 사용될 수 있다.

한편 달에서 확인된 헬륨-3를 활용할 수 있는 기술이 핵융합 발전을 통해 기술적으로 가능해 진다면 인류는 달을 기지로 해서 화성은 물론 그 보다 더 먼 곳까지 에너지 걱정 없이 왕복할 수도 있다.

동력원으로서 핵융합은 현재 원자력을 생산하는 데 사용되는 핵분열에 비해 많은 이점이 있다. 작동 중 방사능 감소, 고준위 핵폐기물 감소, 충분한 연료 공급 및 안전성 향상 등이다.

그러나 온도, 압력 및 지속 시간의 필수 조합은 실용적이고 경제적인 방식으로 생산하기 어렵다. 핵융합로에 대한 연구는 1940년대에 시작되었지만 현재까지 입력 전력보다 더 많은 핵융합 전력 출력을 생산한 설계는 없었다.

기술적으로 그 한계 극복에 다가서는 9부 능선쯤에 와 있는 것이다.


핵융합은 탄소 배출이 전혀 없는 깨끗한 에너지를 세상에 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 핵융합 연료는 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 욕조 1개 분량의 물에서 발견되는 중수소와 노트북 배터리 2개(삼중수소 생성에 사용)의 리튬을 결합하여 오염 없이 평생 동안 충분한 에너지를 제공한다.

이 극소량의 핵융합 에너지 연료는 380톤의 오염 물질을 배출하는 석탄 230톤에 해당한다.

세계가 재생에너지로 전환함에 따라 융합은 다양한 에너지 포트폴리오를 보완하는 데 사용될 수 있다.

핵융합은 지리, 환경 조건과 무관하며 설치 공간도 작다. 연료는 수소 동위원소로 널리 이용 가능하고 본질적으로 고갈되지 않는다.

글로벌 최고 대학의 저명한 물리학자들은 핵융합 에너지 개발을 위한 자금이 계속 증가한다면, 핵융합은 미래에 세계의 동력이 될 것이라는 입장이다.


1990년대 이후 미국의 핵융합 연구 자금은 에너지원 개발이 아니라 핵융합 과학을 위한 것이었다. 그러나 최근 기술 발전으로 핵융합 에너지 개발로 초점을 전환하려는 움직임이 있다.

미국 핵융합 커뮤니티의 합의로 핵융합으로 세계에 전력을 공급하려는 것이 더 가까워지고 있다. 해결해야 할 공학적인 과제는 남아있지만 방향이 정해지면 역량이 모아지게 된다.

미국 핵융합 커뮤니티(대학, 국립 연구소 및 민간기업)는 상용 핵융합 에너지를 위한 전력 활용 과제를 식별하기 위해 2년간의 전략적 계획 프로세스를 최근 완료했다.

이 노력은 핵융합을 위한 조건 생성에 대한 국립아카데미 보고서에 의해 시작되었으며, 핵융합 파일럿 플랜트의 설계 및 건설에 초점을 맞춘 여러 보고서로 이어졌다. 2035년까지 전력 생산을 보여준다.

연구원들은 더 효율적이고 컴팩트한 토카막을 만들어 핵융합을 위한 조건을 만드는 데 큰 발전을 이루었다. 적층 및 고급 제조 기술 발전으로 가혹한 핵융합 환경에서 살아남기 위해 새로운 재료와 복잡한 구조의 설계를 사용할 수 있게 되었다.

고성능 컴퓨팅을 통해 전체 핵융합 반응기의 모델링으로 핵융합 파일럿 플랜트의 성능을 설계하고 예측할 수 있다. 고온 초전도체는 핵융합 발전의 판도를 바꿀 수 있는 보다 컴팩트한 원자로에 대한 접근을 제공한다.

민간기업의 관심과 투자는 핵융합을 기후변화의 해법으로 실현하는데 필요한 파트너가 된다.

미국은 곧 수요보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 것을 보여 주기 위해 설계된 최초의 핵융합 장치인 국제 열핵융합 실험로(ITER)의 작동을 볼 수 있다.

향후 늦어도 20~30년 안에 핵융합 기술을 동력원으로 실제 사용할 수 있을 것이다. 프랑스의 ITER은 그 목표를 향한 거대한 디딤돌이 될 것이다. 이것은 50MGh 가열 전력을 입력하면 500MGh 핵융합 전력을 얻을 수 있다.

아직은 출력 전력을 그리드를 통해 실제 일반에서 사용할 수 있도록 공급할 수 있는 단계는 아니다. 에너지를 생산하는 단계이며 그 다음 단계는 파일럿 플랜트를 가동하는 것이다. 그리드에 전력을 공급하는 첫 번째 단계다.

미국 국립 과학 아카데미(National Academy of Sciences)는 2050년까지 미국이 이 시점에 도달해야 한다는 보고서를 내놓았다.

기술적 위험은 여전히 ​​남아 있지만, 계획이 성사된다면 핵융합은 결국 세계 에너지 수요의 대부분을 차지할 것으로 전망된다.


영국 남부의 작은 철도 도시에서 핵융합이 실험되고 있다.

토카막 에너지(Tokamak Energy)는 원자로를 최대 섭씨 5000만 도까지 가열하고 있다. 이는 태양 중심 온도의 거의 두 배다. 연구팀은 수소 가스 구름에 14만 암페어의 전기를 쏘아 수소 원자를 강제로 융합시켜 헬륨을 생성하려고 한다.

토카막 에너지의 핵융합은 여전히 엄청난 기술적 과제를 안고 있다. 상상할 수 없을 정도로 온도를 높인 후 이를 에너지로 생산할 수 있는지를 확인해야 한다.

상상할 수 없는 온도는 강력한 자기장을 사용하여 소용돌이치는 수소 가스 구름을 포함하는 장치인 ‘토카막’ 내부에서 발생한다. 이렇게 하면 과열된 플라즈마가 용기의 가장자리에 닿지 않도록 하며 접촉 물질이 녹는 것을 방지할 수 있다.

핵융합로 내부에서 문제가 발생하면 장치가 멈추므로 천문학적 열이 방출될 위험은 없다.

플라즈마는 태양 온도 ​​10배까지 가열되어야 하며 두 개의 수소 핵을 헬륨 핵으로 융합할 수 있다. 그 과정에서 많은 양의 방사성 폐기물을 생성하며, 이는 수년간 유해한 상태로 남아 있게 된다.

다만, 핵융합은 1986년 체르노빌에서 일어난 것과 같은 연쇄 반응을 일으키지 않기 때문에 원자로가 위치한 지역 주변을 배제 구역으로 설정할 필요는 없다.

성공하면 지구에서 생성된 작은 태양을 갖게 되는 것이다. 태양열, 바람, 조력과 같은 천연 자원과 함께 녹색 전환의 주요 경로가 될 수 있다.

영국은 작년에 토카막 에너지에 1000만 파운드(1170만 유로)를 투자했다. 실험의 성공 기대감을 반영한 지원이다.

과학자들은 발전소가 국가 전력망에 연결되어 결국 사람들의 가정에 에너지를 제공할 수 있기를 기대하고 있다.


중국의 에너지 소비는 세계 1위다. 따라서 안정적 에너지 확보가 생존 문제다. 중국은 저탄소 에너지 확보를 위해 핵융합에 주목한다.

인공태양으로 알려진 EAST는 중국의 실험적 첨단 초전도 토카막이다. 2020년 12월에 가동한 핵융합발전기로 실험적 에너지 생산에서 새 기록을 세웠다. 화씨 2억1600만 도, 즉 섭씨 1억2000만 도에서 총 101초 동안 활동했다. 20초 동안 2억8800만 화씨 또는 1억6000만 도의 최고 온도를 달성했다. 이 온도는 태양보다 뜨겁다.


중국의 성공적 실험은 이제 글로벌 핵융합 전력 사용이 바로 문턱에 와있음을 보여준다. 그리고 탄소 제로가 가능하다는 것을 의미한다.

향후 중국 과학자들은 세계 최초로 섭씨 1억 도에 도달한 핵융합로를 건설한 것을 경험으로 핵융합 에너지 생산 가능성에 도전할 것이다.


이제 조심스럽지만 핵융합 에너지에 거액을 걸 때다. 궁극적 무탄소 에너지원은 생산하기 어렵고 막대한 자본이 필요하지만 점점 더 가까워지고 있다.

영국 원자력청(UK Atomic Energy Authority)의 CEO인 이안 채프먼(Ian Chapman)이 2019년 왕립 학회 강의에서 설명했듯이 “핵융합은 정말, 정말 어렵다”는 사실이다.

기술이 상업적 규모로 입증될 수 있다 해도 충분한 핵융합 원자로를 구축하고 지구 온난화에 변화를 일으킬 만큼 신속하게 구축하려면 막대한 비용이 필요하다.

그러나 놀랍게도 과학자, 정부 및 투자자는 핵융합 원자로가 빠르면 10년 안에 전력을 공급할 수 있다는 자료를 내놓고 있다.

프랑스의 다국적 정부 컨소시엄이 건설 중인 200억 달러 규모의 실험적 핵융합로인 ITER의 첫 번째 단계는 2025년에 가동될 예정이다.

최소 35개의 민간 핵융합 회사도 출범하여 23억 달러 이상의 자금을 조달했다. 융합산업협회에 따르면 그 중 미국에 기반을 둔 헬리온(Helion)은 일부 저명한 실리콘 밸리 투자자들 지원을 받아 5억 달러를 모금했다.

전 마이크로소프트 사장 빌 게이츠가 설립한 지속 가능한 에너지 투자 펀드인 브레이크스루 에너지 벤처스(Breakthrough Energy Ventures)는 기술 발전으로 핵융합이 빠르게 실용적인 상업적 도전이 되고 있다고 주장한다.

ITER 50분의 1 크기인 소규모 토카막 원자로는 에너지 산업에 혁명을 일으킬 수 있다.

브레이크스루 에너지 벤처스의 지원을 받는 핵융합 회사 중 하나는 2억5000만 달러를 모금한 MIT에서 분사한 보스턴 기반 신생 기업인 커먼웰스 퓨전 시스템스(Commonwealth Fusion Systems)이다. 9월에는 고온 초전도 전자석의 시연이 순 전력 출력의 길을 열었다고 발표했다. 이미 2025년 완공을 목표로 실험용 원자로를 착공했다. 그리고 그것이 성공하면 향후 10년 안에 완전히 상업화된 발전소를 건설할 계획이다.

이 원자로는 기존 발전소와 동일한 위치에 건설되고 동일한 그리드에 연결될 수 있다. 빠르게 확장할 수 있는 것이 장점이다.

미국 전력망 전체에 전력을 공급하려면 계산상으로 1조 달러 이상의 비용이 드는 3000개의 상업용 핵융합로가 필요하다. 핵융합이 작동할 수 있다는 믿음과 충분한 자본만 동원된다면 가능하다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com