에너지 생산의 '성배' 핵융합 재현의 성공: 핵융합, 핵융합 점화 성공의 의미와 도전, 재생에너지와의 관계

에너지 생산의 "성배"(holy grai)로 묘사되는 핵융합을 재현하려는 경주에서 미국 과학자들이 중대한 돌파구를 발표했다. 미국 에너지 장관 제니퍼 그랜홈(Jennifer Granholm)은 화요일 태양과 별을 움직이는 에너지인 핵융합을 활용하기 위한 수십 년간의 탐사에서 "주요 과학적 돌파구"를 마련했다고 발표했다. 캘리포니아에 있는 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)의 연구원들은 처음으로 핵융합 반응에서 투입된 것보다 더 많은 에너지를 생산했는데, 이것은 순수 에너지 증가라고 불리는 것이다. 

핵융합 점화에 성공한 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 핵융합 타켓 챔버(target chamber) 내부. 사진: Philip Saltonstall

핵융합이란

핵융합은 태양과 같은 방식으로 작동하는데, 두 개의 무거운 수소 원자를 극도의 열과 압력 하에서 병합하여 막대한 양의 에너지를 방출한다. 이는 원자가 쪼개져 많은 양의 에너지를 방출하는 원자력 발전소에서 사용되는 핵분열 과정과 반대이다. 핵분열은 현재 원자력 발전소에서 사용되는 기술이지만 이 과정에서 많은 폐기물이 발생하여 장기간 계속해서 방사선을 방출하며 위험할 수 있으므로 안전하게 보관해야 하는 문제를 안고 있다. 핵융합은 훨씬 더 많은 에너지를 생산하며 수명이 짧은 방사성 폐기물은 소량만 생산한다. 그리고 중요한 것은 이 과정에서 온실 가스 배출이 없으므로 기후 변화에 기여하지 않는다는 것이다.

대규모 핵융합을 지속하는 것은 안전하고 깨끗하고 거의 고갈되지 않는 동력원을 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

태양은 중심핵에서 약 1,500만 도의 하전 입자 플라스마와 핵융합을 지속한다. 지구상에서 연구자들 수억 도의 온도를 목표로 하고 있다. 왜냐하면 지구는 연료를 압축하는 태양의 거대한 질량을 가지고 있지 않기 때문이다.

과학자들과 기술자들은 이것을 성취할 수 있는 방법에 대한 몇 가지 설계를 고안해냈지만, 대부분의 핵융합 원자로는 강력한 자기장을 사용하여 뜨거운 플라스마를 "병에 넣고" 가둔다.

일반적으로 상업적 핵융합 발전으로 가는 길에서 극복해야 할 주요 과제는 자체적으로 핵융합 반응을 생성하는 데 필요한 강렬한 연소 플라스마를 포함할 수 있는 환경을 제공하는 것이며, 이는 핵융합 반응을 시작하는 데 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산한다.

로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL) 핵융합 점화 성공 과정

핵융합의 장점에도 물구하고 문제 중 하나는 요소를 강제로 융합하고 유지하려면 매우 많은 양의 온도와 압력이 필요하다는 것이다. 지금까지 어떤 실험도 작동시키기 위해 투입된 양보다 더 많은 에너지를 생산하지 못했다.

이번 LLNL의 국립점화시설(National Ignition Facility)은 35억 달러 규모의 실험이다. 이 장치는 후추 열매 크기의 캡슐에 소량의 수소를 넣는다. 그런 다음 강력한 192개의 빔 레이저를 사용하여 수소 연료를 가열하고 압축하여 태양의 중심보다 몇 배 더 뜨거운 온도를 사용하여 극도로 짧은 융합 반응을 만들었다. 레이저는 매우 강력해서 캡슐을 태양 중심보다 더 뜨거운 섭씨 1억 도까지 가열할 수 있고 지구 대기의 1000억 배 이상으로 압축할 수 있다. 이러한 힘으로 캡슐은 자체적으로 폭발하기 시작하여 수소 원자가 융합되어 에너지를 방출하도록 한다.

퓨전 에너지 인사이트(Fusion Energy Insights)의 CEO인 멜라니 윈드리지(Melanie Windridge) 박사는 "퓨전은 과학자들이 태양을 빛나게 하는 원인이 무엇인지 처음 알아낸 이래로 그들을 흥분시켜왔다. 오늘날 이러한 결과는 우리를 기술 상용화의 길로 인도합니다."라고 말했다. 임페리얼 칼리지 런던의 플라스마 물리학 교수이자 관성 핵융합 연구 센터의 공동 책임자인 제레미 P 치텐덴( Jeremy P. Chittenden) 교수는 "핵융합의 '성배'가 실제로 달성될 수 있다는 것을 증명하는 진정한 획기적인 순간"이라고 말했다. 이것은 국제 과학계의 연구를 칭찬한 물리학자들이 전 세계적으로 반향 하는 정서였다. 옥스퍼드 대학의 물리학 교수인 잔루카 그레고리(Gianluca Gregori) 교수는 "오늘의 성공은 미국, 영국, 그리고 전 세계의 많은 과학자들이 한 연구에 달려 있습니다. 이제 점화가 이루어지면서 핵융합 에너지가 잠금 해제되었을 뿐만 아니라 새로운 과학의 문도 열리고 있다."라고 말했다.

비약적인 발전에도 불구하고, 치텐덴 교수는 핵융합이 가정에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있기까지는 아직도 가야 할 일이 많다고 말한다.

그 실험은 약 10-15 주전자를 끓일 수 있는 충분한 에너지를 생산할 수 있었고 수십억 달러의 투자가 필요했다. 치텐덴은 "우리가 발전소를 가동하고 싶다면, 우리는 이러한 실험을 매 초마다 한 번씩 수행해야 할 수도 있습니다. 그리고 현재는 실험들 간에는 하루가 있습니다."

그리고 비록 그 실험이 레이저가 투입한 것보다 더 많은 에너지를 얻었지만, 이것은 레이저가 작동하는 데 필요한 에너지를 포함하지 않았다. 그것은 수소가 생산한 에너지의 양보다 훨씬 더 컸다. 그들이 이 실험에서 만들어낸 에너지의 양은 아주 적다. 단지 몇 주전자를 끓일 수 있을 정도이다. 그러나 그것이 나타내는 것은 이 기술에 오랜 시간을 투자한 과학자들과 모두에게 엄청난 것이다.

다양한 핵융합 기술

2021년, MIT 과학자들과 커먼웰스 퓨전 시스템즈(Commonwealth Fusion Systems)는 SPARC라고 불리는 소형 퓨전 장치를 "실질적으로 더 작고, 더 낮은 비용, 더 빠른 타임라인"으로 만들 수 있는 기록적인 자석을 개발했다.

최근 몇 년 동안, 몇몇 핵융합 실험들은 또한 섭씨 1억 도 이상의 플라스마 온도를 유지하는 매우 중요한 이정표에 도달했다. 여기에는 중국의 EAST 실험, 한국의 대표 실험 KSTAR, 영국에 본사를 둔 토카막 에너지(Tokamak Energy) 등이 포함된다.

이러한 놀라운 업적은 태양 내부에서 발견되는 조건을 복제하고 극도로 뜨거운 플라스마를 핵융합이 일어나도록 충분히 오랫동안 가두어 둘 수 있는 전례 없는 능력을 보여준다.

토카막(tokamak)이라고 불리는 도넛 모양의 자기 감금 장치는 작동하는 핵융합 발전기를 위한 선도적인 설계 중 하나이며 전 세계적으로 많은 실험이 진행되고 있다. 사진: Christopher Roux, EUROfusion Consortium, CC BY

2월, 세계에서 가장 강력한 작동 토카막인 합동 유럽 토러스( Joint European Torus)는 세계 기록적인 에너지 가둠(energy confinement)을 발표했다. 그리고 순 전력 이득을 입증하기 위한 다음 단계의 핵융합 에너지 실험인 ITER는 프랑스에서 건설 중이며 현재 약 80%가 완료되었다.

이번에 핵융합 점화에 성공한 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설은 관성 구속 융합(inertial confinement fusion)으로 자석과는 다른 방식의 핵융합이다. 성공 이전에 이미 이들은 연필 지우개 크기의 표적을 제한하고 압축하기 위해 거의 200개의 강력한 레이저를 집중시킴으로써, 그들은 짧은 시간 동안 핵융합 에너지를 생성하는 작은 핵융합 "핫 스팟"을 생성했다.

호주에서는 HB11이라는 회사가 고출력 레이저와 자기장의 결합을 통해 양성자-붕소 융합 기술을 개발하고 있다.

핵융합이 직면한 도전:  상용화, 비용, 재생에너지와의 관계

핵융합 미래의 약속이 한 걸음 더 가까워졌다. 그러나 이러한 혁신에는 항상 문제가 있지만 이것이 현실이 되기까지는 아직 갈 길이 멀다. 이 실험은 과학이 작동한다는 것을 보여준다. 이제 반복되고 완벽해야 하며 생성되는 에너지의 양을 크게 늘려야 한다.

다른 문제는 비용이다. 주전자 몇 개의 물을 끓일 정도의 에너지를 생산한 이 실험에는 수십억 달러가 들었다. 핵융합은 저렴하지 않다.

핵융합 개발은 1950년대부터 진행되고 있다. 지금까지, 잠재적으로 이 모든 상자를 체크하는 핵융합 발전의 개발은 거의 전적으로 공공 부문에 의해 자금이 지원되었다. 그것의 대부분은 기초과학에 대한 정부의 자금 지원에 의해 추진되었다. 하지만 이제, 전 세계적으로 점점 더 많은 민간 핵융합 회사들이 상업적 핵융합 에너지를 향해 전진하고 있다. 퓨전산업협회의 조사에 따르면 글로벌 퓨전 산업에 대한 사모펀드 투자는 2021년 21억 달러에서 2022년 47억 달러로 1년 만에 두 배 이상 증가했다.

미국과 영국 정부는 전략적 연구 프로그램을 보완하기 위해 민관 협력을 강화해 왔다. 예를 들어, 백악관은 최근 "상업적 핵융합 에너지에 대한 대담한 10년 비전"을 개발할 것이라고 발표했으며, 영국에서는 정부가 국가 전력망에 핵융합 발전기를 연결하는 것을 목표로 하는 프로그램에 투자했다.

비용과 관련된 또 다른 문제는 핵융합에 대한 투자가 다른 형태의 재생 에너지와 화석 연료로부터의 전환을 희생하지 않아야 한다는 것이다. 핵융합을 통한 에너지 생산을 위한 차세대 솔루션이 태양열, 풍력, 양수기와 같은 현재의 재생 에너지 기술의 채택과 이에 대한 투자 확대와 병진하지 않는다면 기후 위기와 관련된 당사국 총회에서 채택된 온실가수 배출 순제로의 목표는 달성되기 어렵다.

최근 미국의 순제로 게임 체인저 이니셔티브(Net-Zero Game Changers Initiative)의 핵융합의 상업적 개발과 함께 급속한 탈탄소화 경로를 개발에 대한 투자 병진 전략은 이러한 우려에 대한 적절한 반영이다.