핵융합 에너지 개발, 어디까지 왔나

과거에는 실현 불가능하다고 불리던 핵융합 에너지를 이용한 발전이 현실성을 띠고 있다. 앞으로 수십 년 안에 상용화가 예상되는 핵융합 에너지는 실제로는 얼마나 연구가 개발되고 있을까.

일반 발전 방법으로는 주로 화력 발전이나 원자력 발전 등을 이용하지만 기후 변화 원인이 되거나 환경 오염이 문제가 되는 등 모두 큰 단점을 안고 있다. 태양광 발전을 비롯한 재생 가능 에너지 이용도 증가하고 있지만 예를 들어 태양광은 항상 사용할 수 있는 에너지원이 아니기 때문에 안정적 에너지 공급을 할 수 없다는 과제가 남아 있다.

이러 배경에서 에너지 문제를 해결할 가능성이 있는 것으로 주목받고 있는 게 핵융합 에너지다. 핵융합 에너지는 한때 실현 불가능하다고 알려져 있었지만 기술 진보에 따라 현실성을 띠고 있다. 이에 따라 국가 기관 뿐 아니라 민간기업 개발도 이뤄지고 있다. 전 세계 30개 이상 민간기업이 핵융합 에너지 개발에 임하고 있는 것.

한편 앞으로 10년 안에 핵융합 에너지 상업화가 실현될 것이라는 기업 전망은 투자자로부터 자금을 모으는 걸 목적으로 하고 있다. 민간 기업에 속하지 않는 연구자는 낙관적인 생각이라고 평가한다.

핵융합 연구 자체는 1900년 전반 시작된 새로운 게 아니다. 1950년대 핵융합을 이용한 수소폭탄이 발명됐고 이후 연구자는 핵융합을 더 잘 제어해 에너지 생성을 가능하게 하는 방법을 추구해왔다.

기존 원자력발전소는 우라늄 같은 무거운 원자 핵분영을 이용하고 있지만 핵융합 에너지는 말 그대로 수소와 같은 가벼운 원자 원자핵끼리 고온, 고압 환경에 노출시키는 것으로 융합시켜 에너지를 꺼낸다. 일반적인 건 수소 동위원소인 중수소(D)와 삼중수소(T) 원자핵을 융합시키는 방법이다. 이 때 단명한 중성자 형태로 작은 방사능이 발생하지만 원자력 발전과 같은 수명이 긴 방사성 폐기물은 나오지 않기 때문에 핵융합 에너지는 안전하고 환경에 미치는 영향이 작다고 할 수 있다.

핵융합 에너지 실현을 위한 과제는 태양 중심보다 높은 1억 켈빈이라는 온도에서 핵융합에 의해 발생한 대전 플라즈마를 반응기 내에 머물게 하는 것이다. 많은 연구자가 자기장을 이용해 플라즈마를 반응기 내에 머물게 하지만 에너지를 추출하기에 충분할 만큼 플라즈마를 머물게 하는 건 어려운 기술이라고 한다.

이런 실험은 대규모 시설과 대량 자금이 필요하기 때문에 핵융합 에너지 연구는 필연적으로 국가 프로젝트가 중심이다. 국제 협력을 통해 에너지 실현을 연구하는 ITER이 대표적인 프로젝트. ITER은 첫 시운전은 2025년, 완전한 DT 융합은 적어도 2035년이 될 전망이다.

핵융합 에너지에 대한 관심이 높아지고 민간 기업이 참여하면서 얻은 이점 중 하나는 융합 에너지에 대한 접근 방식이 다양해졌다는 것이다. 원래 핵융합 에너지는 토카막형이라고 불리는 방법이 일반적이었다. 이는 강력한 초전도 자석을 이용해 플라즈마를 링 모양 컨테이너에 가두는 것으로 ITER에서도 채택되고 있다.

한편 영국 토카막에너지(Tokamak Energy)는 더 소형 토카막 장치를 개발하는데 성공했다. TAE테크놀러지(TAE Technologies)는 선형 리액터를 개발했는데 이는 빔 구동형 자기장 반전 배치에 사용한다. 아마존 제프 베조스가 투자한 제너럴퓨전(General Fusion)은 자화 표적 핵융합을 채택한 반응기를 개발하고 있다.

또 비틀린 코일을 통해 자장을 만드는 헬리컬형도 있다. 헬리컬형은 1950년대부터 고안되어 있던 것으로 플라즈마를 기술하는 방정식 해가 너무 복잡하다며 당시에는 주목받지 못했지만 슈퍼컴퓨터가 이용 가능하게 되어 아이디어가 재검토됐다고 한다. 현대에선 플라즈마 가두기가 용이하다는 이점으로 독일 벤델슈타인 7-X에 채택하고 있다.

국가 협력으로 이뤄지는 ITER에 비해 민간 기업이 개발하는 원자로는 소규모이고 더 저렴하다는 점에서 유리하다. 한편 ITER보다 빠른 상업화에 초점을 맞추고 있어 실패 위험도 커질 수 있다. 실제로 ITER 실제 가동은 2035년 이후로 여겨지지만 민간 기업 대부분은 2035년까지 상업화를 목표로 하고 있다.

민간 기업과 국가 프로젝트 모두 나란히 진행해 양쪽 모두에게 이익을 기대할 수 있다. 국가 프로젝트는 민간 기업으로부터 연구 개발 정보를 얻을 수 있는 한편 민간 기업도 국가 프로젝트를 기반으로 기술을 구축하거나 정부로부터 지원을 받을 수 있기 때문이다. 코로나19 백신과 마찬가지로 민관 파트너십을 맺는 게 기술 진보를 위한 열쇠가 될 수 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.