전등 스위치를 켤 때마다 그 전기가 태양에 동력을 공급하는 것과 동일한 과정에서 온다고 상상해 보십시오. 지난 70년간 과학자들은 지구에서 항성의 힘을 재현하는 이 깨끗한 에너지의 꿈을 좇아왔습니다. 한때 공상 과학 소설처럼 보였던 일이 이제 현실로 다가오고 있습니다.
핵융합 발전은 별과 마찬가지로 원자를 융합시켜 사실상 무한한 청정에너지를 약속합니다. 최근의 획기적인 발전은 수십 년 된 이 꿈을 실체적인 것으로 바꾸어 놓았고, 많은 이들이 불가능하다고 생각했던 투입된 에너지보다 더 많은 에너지를 핵융합으로 생산하는 성과를 달성했습니다. 핵융합이 실제로 무엇인지, 과학자들이 어떻게 이를 실현하고 있는지, 그리고 언제쯤 우리 동네를 밝히게 될지 알아보겠습니다.
핵융합 발전이란 무엇인가
핵융합은 오늘날의 원자력 발전과 정반대라고 생각하면 됩니다. 현재의 발전소는 무거운 원자를 분열시키는(핵분열) 반면, 핵융합은 가벼운 원자를 함께 충돌시킵니다.
Photo by 이는 쿠키를 반으로 부수는 것과 찰흙 두 조각을 하나로 뭉치는 것의 차이와 같습니다. 두 가지 모두 완전히 다른 메커니즘을 통해 에너지를 방출합니다.
핵융합은 초고온에서 중수소와 삼중수소라는 수소 동위원소를 병합합니다. 이 원자들이 충분히 빠르게 충돌하면 헬륨으로 융합되면서 막대한 에너지를 방출합니다. 얼마나 많을까요? 단 1그램의 핵융합 연료는 석유 8톤을 태우는 것과 맞먹는 에너지를 생산합니다. 이는 구슬보다 작은 연료 펠릿 하나로 자동차를 몇 년 동안 움직이게 하는 것과 같습니다.
핵융합이 특히 흥미로운 점은 놀라울 정도로 안전하다는 것입니다. 핵분열 원자로와 달리 핵융합 발전소는 노심용융(멜트다운)이 일어날 수 없습니다. 문제가 발생하면 플라스마가 즉시 냉각되고 반응이 멈춥니다. 체르노빌 같은 시나리오는 불가능합니다. 폐기물의 반감기는 수천 년에 달하는 핵분열 폐기물과 비교해 100년 미만입니다.
무엇보다도 연료가 어디에나 있다는 장점이 있습니다. 중수소는 일반 바닷물에서 얻을 수 있고, 삼중수소는 리튬에서 생성할 수 있습니다. 지구의 바다에는 인류 문명에 수십억 년 동안 동력을 공급할 수 있는 충분한 양의 중수소가 포함되어 있습니다. 더 이상 석유 매장량을 두고 다투거나 연료 부족을 걱정할 필요가 없습니다.
핵융합로는 어떻게 작동하는가
원자를 융합시키는 것은 쉽지 않습니다.
Photo by 약 1억 5천만 섭씨도까지 가열해야 합니다 [Britannica]. 이는 태양 중심부보다 10배 더 뜨거운 온도입니다. 이 온도에서 물질은 전자가 원자핵에서 분리되는 초고온 상태인 플라스마가 됩니다. 문제는 어떤 물리적 용기도 그런 열을 견딜 수 없다는 것입니다.
과학자들은 두 가지 기발한 해결책을 개발했습니다. 첫 번째는 자기장을 이용해 플라스마를 공중에 띄워 원자로 벽에 닿지 않게 하는 것입니다. 가장 유망한 설계는 토카막(tokamak)이라고 불리는 것으로, 강력한 자석으로 감싼 도넛 모양의 용기입니다. 현재 프랑스에서 건설 중인 ITER는 세계 최대의 토카막 프로젝트입니다. 이 시설의 초전도 자석은 지구 자기장보다 28만 배 강한 자기장을 생성하여, 상상할 수 없을 정도로 뜨거운 플라스마를 위한 보이지 않는 병을 만듭니다 [Wikipedia].
관성 가둠(inertial confinement)이라고 불리는 두 번째 접근 방식은 완전히 다른 경로를 택합니다. 국립점화시설(National Ignition Facility, NIF)과 같은 시설에서는 플라스마를 지속적으로 가두는 대신, 192개의 레이저를 작은 연료 펠릿에 발사합니다. 이 레이저 펄스는 수십억 분의 1초 만에 2.05메가줄의 에너지를 전달하여 연료를 극한의 밀도로 압축하고 핵융합을 촉발합니다. 풍선을 너무 세게 그리고 빠르게 쥐어짜서 뜨거워지고 불이 붙는 것을 상상하면 됩니다.
두 접근 방식 모두 장점이 있습니다. 토카막은 연속 운전을 목표로 하는 반면, 레이저 시설은 빠른 펄스 방식으로 작동합니다. 어떤 방식이 우리의 미래에 동력을 공급할지 결정하기 위한 경쟁이 진행 중입니다.
최근 핵융합 에너지의 획기적 발전
2022년 12월은 분수령이 된 순간이었습니다.
Photo by 역사상 처음으로 NIF가 핵융합 점화에 성공하여 2.05메가줄의 레이저 입력으로 3.15메가줄의 에너지를 생산했습니다. 이 54%의 에너지 순증(net energy gain)은 과학자들이 수십 년 동안 추구해 온 것, 즉 핵융합이 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 방출할 수 있다는 것을 증명했습니다.
자기 가둠 방식 역시 인상적인 진전을 보였습니다. 중국의 EAST 토카막은 2023년에 1억 2천만 도의 플라스마를 403초 동안 유지했습니다. 이는 6분이 넘는 연속적인 핵융합 조건입니다. 이전 기록은 겨우 2분을 넘는 수준이었습니다. 상업용 원자로는 지속적으로 가동되어야 하므로 이 시간 기록은 중요한 이정표입니다. 더 최근에는 EAST가 이론적인 플라스마 밀도 한계를 초과하여 원자로 설계에 새로운 가능성을 열었습니다 [Prof. Zhu Ping]. 주핑(Zhu Ping) 교수가 언급했듯이, 이러한 발견은 “토카막과 차세대 연소 플라스마 핵융합 장치에서 밀도 한계를 확장하기 위한 실용적이고 확장 가능한 경로”를 시사합니다 [Prof. Zhu Ping].
민간 부문도 주목하기 시작했습니다. 35개 이상의 핵융합 스타트업이 총 50억 달러 이상을 투자받아 2030년대에 배치될 수 있는 소형 원자로 설계를 개발하고 있습니다. Commonwealth Fusion Systems나 Helion Energy와 같은 회사들은 2030년 이전에 상업 운전을 목표로 하고 있습니다. 불과 10년 전만 해도 터무니없어 보였을 일정입니다. 핵융합 과학자 장 폴 알랭(Jean Paul Allain)이 말했듯이, “핵융합은 현실이며, 가까이 다가왔고, 협력적인 행동을 할 준비가 되어 있습니다” [Jean Paul].
상용화 시점과 미래 영향
그렇다면 핵융합이 실제로 가정에 전력을 공급하는 시기는 언제일까요?
Photo by 가장 야심 찬 민간 기업들은 2030년대 초를 첫 상업용 발전소 가동 목표로 잡고 있습니다. ITER는 2035년까지 완전한 핵융합 발전을 시연하여 단 50MW의 입력으로 500MW를 생산하는, 즉 10배의 에너지 증폭을 목표로 합니다 [Wikipedia].
핵융합 에너지는 일상생활에 어떤 의미를 가질까요? 밤에는 작동하지 않는 태양광 패널이나 바람을 기다리는 풍력 터빈과 달리, 핵융합 발전소는 24시간 내내 가동하여 신뢰할 수 있는 기저부하 전력을 제공할 수 있습니다. 에너지 밀도는 화석 연료보다 수백만 배 높아, 더 작은 발전소로 더 넓은 지역에 전력을 공급할 수 있습니다.
그 영향은 전기를 훨씬 뛰어넘습니다. 풍부한 청정에너지는 운송을 위한 무탄소 수소 생산을 가능하게 하고, 제조업에 산업용 열을 제공하며, 궁극적으로는 심우주 탐사를 위한 우주선에 동력을 공급할 수 있습니다. 기후 변화와 씨름하면서도 인공지능과 같은 기술을 위해 더 많은 에너지를 요구하는 세상에서 핵융합은 설득력 있는 해답을 제시합니다.
물론 과제는 남아있습니다. 상업용 발전소를 건설하려면 전례 없는 규모의 공학적 문제를 해결해야 합니다. 비용은 극적으로 낮아져야 합니다. 규제 체계도 개발되어야 합니다. 하지만 처음으로 이러한 문제들이 근본적인 물리학적 장벽이 아닌 공학적 과제로 느껴집니다.
핵융합 발전은 우주의 모든 별을 밝히는 에너지 과정을 복제하여, 사실상 무한한 연료로 안전하고 깨끗한 반응을 제공합니다. 순 에너지 이득, 플라스마 유지 시간 기록 경신, 밀도 한계 초과와 같은 최근의 성과들은 핵융합이 먼 꿈에서 다가오는 현실로 전환되고 있음을 보여줍니다.
이 에너지 혁명에 대해 궁금하다면, ITER와 주요 핵융합 스타트업의 개발 동향을 따르는 것은 역사의 현장을 맨 앞줄에서 지켜보는 것과 같습니다. 70년간의 추구 끝에 인류는 마침내 별을 밝히는 힘을 활용할 문턱에 서 있습니다.
