2028년 첫 핵융합발전소 목표

 

장얼츠 張而馳 친민 覃敏 <차이신주간> 기자
 

▲ ‘국제핵융합실험로(ITER) 축소판’이라 부르는 핵융합반응로제트(JET)를 운영하는 영국은 핵융합 기술 연구의 중심지다. 옥스퍼드셔주 과학센터를 방문한 이언 채프먼 영국 원자력청장(왼쪽)이 핵융합 과학장비 앞에서 센터 관계자와 대화하고 있다. REUTERS

영국은 핵융합 기술 연구의 중심지다. 국제핵융합실험로(ITER)의 축소판이라 부르는 핵융합반응로제트(JET·Joint European Torus)가 영국에 있다. JET는 2021년 12월 플라스마를 1억5천 도까지 가열해 5초 동안 유지했고 그사이에 중수소-삼중수소 핵융합이 일어나 59메가줄(MJ·줄은 에너지의 국제표준 단위)의 에너지를 방출했다. 16킬로와트시(㎾h)에 불과한 양이지만 지금까지 세계 최고 기록이다. 민간부문에서는 2009년 영국 컬햄핵융합연구센터(CCFE)에서 토카막에너지(Tokamak Energy)를 창업했고, 고온 초전도 기술과 구형 토카막을 이용해 2022년 플라스마를 1억 도까지 가열했다.
옥스퍼드대학 연구팀은 2011년부터 창업을 시작해 퍼스트라이트퓨전(First Light Fusion)을 설립했고, 초고속 타격으로 높은 압력을 만들어 핵융합을 유도했다. 2022년 4500만달러(약 600억원) 투자를 유치했는데 투자자에 중국 기업 텐센트가 포함됐다. 영국 정부가 추진하는 사업은 스텝(STEP·Spherical Tokamak for Energy Production)이라 부른다. 영국 원자력에너지청(UKAEA)이 주도하고 정부예산 2억2200만파운드를 투입해서 2024년까지 설계를 끝내고 2040년까지 상용화 시범 발전소를 건설할 계획이다.
 

▲ 현재 프랑스에서 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)는 유럽연합(EU)과 중국, 미국, 러시아, 인도, 일본, 한국 등 7개국이 출자해 2016년 완공할 계획이었지만 2030년 이후로 연기된 상태다. REUTERS

미국·영국·일본이 개발 주도
일본도 오래전부터 핵융합 사업에 진출했다. 2023년 12월, 유럽연합(EU)과 일본이 공동 건설한 핵융합로 JT-60SA가 공식적으로 가동해서 ITER이 완공되기 전까지 세계 최대 규모의 핵융합로였다. 이 장치는 연료를 2억 도까지 가열하고 100초 동안 유지하는 것이 목표다. 2019년 설립한 교토퓨저니어링은 일본 교토대학 출신 연구진으로 구성됐고, 플라스마 가열과 연료순환 시스템을 개발한다. 2021년 설립한 엑스퓨전은 일본 오사카대학에 뿌리를 두고 레이저를 이용한 핵융합 기술을 선택했다. 중수소와 삼중수소 연료에 강한 레이저를 쏘아서 핵융합반응을 유도하는 것이다. 같은 해 창업한 헬리컬퓨전은 형태가 토카막보다 훨씬 복잡한 스텔러레이터(Stellarator) 장치를 선택했다.
핵융합 분야에서 실력이 가장 막강한 국가는 미국이다. 미국 핵융합산업협회에 따르면 전세계 43개 핵융합 분야 창업기업 가운데 25개 기업의 본사가 미국에 있고 이들이 선택한 기술 노선도 다양하다. 그중 가장 앞서가는 기업은 2013년 설립한 헬리온에너지로 2023년 5월 마이크로소프트와 전기공급계약을 체결했다. 2028년까지 첫 번째 핵융합발전소를 건설하고 마이크로소프트에 최소 50메가와트의 전력을 판매할 계획이다. 양쪽은 전력 단가 등 구체적인 계약 내용을 밝히지 않았다. 헬리온에너지는 6세대 핵융합 장치를 시험했고 2021년에는 민간기업 최초로 1억 도까지 가열하는 데 성공했으며, 현재 7세대 장치를 건설하고 있다. 2024년 발전 능력을 검증받을 계획이다.
헬리온에너지의 설계는 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 플라스마과학 및 핵융합 센터가 이끄는 CFS와 다르게 장치가 아령형이다. 강한 자기장을 제어하는 환경에서 양쪽 진공실의 연료를 가열해 플라스마를 만들고 시속 160만㎞로 가운데 공간의 연소실로 발사하면 플라스마가 부딪쳐 결합하고 고온·고압 조건에서 핵융합이 일어난다. 플라스마가 가열 과정에서 계속 팽창하기 때문에 진공실 안의 자기장이 변하고 전자기 유도를 통해 전기에너지를 생산했다. 연료를 고밀도 상태로 압축하는 ‘관성 가둠 핵융합’과 연료를 1억 도 이상 고온으로 가열해서 플라스마 기체를 만들어 핵융합반응을 일으키는 ‘자기 가둠 핵융합’을 결합해서 각 기술의 단점을 피하는 방법인데, 아직 검증되지 않아서 충분한 전력을 생산할 수 있을지 확실하지 않다.
업계 관계자들은 헬리온에너지가 외부에 공개한 정보가 불충분해서 2028년 전력 판매 계획을 이행할 수 있을지 판단하기 어렵다고 말했다. 왕광시 레노버창업투자 파트너는 헬리온에너지가 2028년 전력 생산 시험에 성공할 수는 있어도 가격이 비쌀 것으로 예상했다. “5년 이내에 핵융합을 통한 전력 생산을 검증받겠지만, 핵융합로를 최소의 에너지로 안정적으로 운영하는 것은 또 다른 과제다.”
CFS가 투자 유치로 거액을 조달했다는 소식을 들은 인공태양 개발업체 싱환쥐넝의 천루이 최고경영자(CEO)는 흥분했다. 그는 마침내 ‘핫머니’가 유입됐다고 판단했다. 이때부터 국내 투자기관도 핵융합 기술이 영원히 30년 이후에나 실현 가능한 연구사업이 아닌 10년 이내에 성공할 수 있는 투자 기회라고 판단했다. 2022년 6월, 순웨이캐피털과 중커촹싱, MSA캐피털, 세쿼이야중국 시드펀드, 셴펑창칭, 레전드스타, 위안허위안뎬 등 12개 투자기관이 싱환쥐넝의 에인절투자에 참여해 총 2억위안(약 370억원)을 투자했다.
천루이 최고경영자는 칭화대학에서 원자력공학을 전공했고 경제학으로 전공을 바꿔 박사학위를 받은 뒤 중앙재경대학 교수로 일했다. 탄이 싱환쥐넝 최고기술경영자(CTO)는 천루이 최고경영자의 학부 동기로 2009년 박사학위를 받고 모교에 남아 핵융합 기술을 연구했다. 두 사람은 역시 학부 동기인 좡옌과 2016년 인공지능(AI) 기업 숴청커지를 창업해서 기계가 작동할 때 나오는 다양한 소리를 인식해 설비 상태를 진단하고 수리하는 기술을 개발했다. 칭화대학에 있는 토카막 장치에도 이 기술을 적용했고 산업생산 현장에서 응용했다. 샤먼창업투자와 순웨이캐피털의 투자를 받았다.
 

▲ 2021년 8월 로런스리버모어국립연구소(LLNL)는 핵융합반응을 이용해 투입된 에너지보다 더 큰 에너지를 생산하는 데 성공했다. LLNL 누리집

인공태양을 위한 3단계 전략
2019년 6월, 미국 기업 CFS가 1억1500만달러 규모의 투자를 받자 업계에서는 시장화의 길을 탐색했다. 천루이 최고경영자는 플라스마물리연구소와 서남물리연구원 이외의 국내 연구기관은 정부 지원에만 의존해서는 자금이 부족하다고 판단했다. 칭화대학 연구팀이 지난 20년 동안 각종 과제를 수행해서 확보한 자금을 다 합해도 수천만위안에 그쳤다. 그는 미국과 유럽에서는 이미 상업화를 추진하는데 계속 미루면 그들과 경쟁할 기회조차 없을 것으로 판단했다.
미레이 중커촹싱 파트너는 “오래전부터 핵융합 기술이 에너지 분야에서 가장 중요한 분야가 될 것으로 예상했지만 최근의 성장 속도는 의외였다”고 말했다. 그는 2022년 서둘러 싱환쥐넝 투자를 결정했다. 순웨이캐피털은 2022년 2월 새 투자 프로젝트를 시작해서 미래기술 개발사업에 10억위안을 투자하기로 했다. 순웨이캐피털 관계자는 “단기간에 투자수익이 발생하지 않더라도 잠재력이 있는 미래기술 개발에 투자하길 원한다”면서 “핵융합 기술이 대표적 분야”라고 말했다.
양룬신 셴펑창칭 투자 담당 부총재는 “핵융합 기술은 실패할 확률이 높고 성공할 확률은 낮은 분야이고, 투자 기간이 길고 불확실성이 크다”고 지적했다. 그런데도 투자하는 이유는 일단 성공하면 얻게 될 가능성과 수익이 막대하기 때문이다. 그는 “핵융합 기술이 아직 연구 단계이고 정부의 지속적인 지원이 필요하다”면서 “창업투자기관이 참여하면 많은 연구개발팀이 연구소에서 독립해 기업을 창업함으로써 효율이 높아질 것”이라고 말했다.
투자를 유치한 싱환쥐넝은 7개월 만에 칭화대학과 공동으로 1세대 실험장치를 설치했고 2023년 7월에 처음으로 플라스마를 만들어냈다. 천루이 최고경영자는 3단계로 나눠 핵융합을 실현할 계획이라고 소개했다.
1단계는 원리를 검증하는 장치를 써서 ‘자기 재연결’(Magnetic Recon-nection) 기술로 플라스마를 1700만 도까지 가열하는 것이 목표인데 2024년까지 끝낼 계획이다. 2단계에서는 기술검증장치 CTRFR-1을 건설할 계획이다. 이 장치는 핵융합 조건에 근접한 중형 고온 초전도 토카막으로 플라스마를 1억 도까지 가열해야 한다. 중국 칭화대학과 함께 이 장치에서 필요한 고온 초전도 자석을 만들었고 기간은 2027년까지다. 3단계는 상용화 실증로 CTRFR-2를 만들 계획이다. 업계와 협력해서 핵융합로의 연료 순환과 전기 출력, 재료의 내구성을 점검하고 실제 전기를 생산할 수 있는지 검증해야 한다. 2032년까지 완료할 예정이다.
 

▲ 영화 마블 시리즈에서 아이언맨의 가슴에 박힌 소형 핵융합로 ‘아크원자로’(Arc Reactor)는 핵융합 기술에서 시작된 상상이다. 월트디즈니컴퍼니 코리아

전문 투자기관의 지원
싱환쥐넝은 자기 재연결 기술과 반복 운전이 특징이다. 헬리온에너지의 기술과 비슷한데 둥근 모양의 토카막 위아래에서 각각 플라스마를 만든 뒤 플라스마가 융합해 하나가 되도록 만든다. 그 과정에서 플라스마는 핵융합반응 온도까지 가열된다. 플라스마를 계속 가열하기 위해 싱환쥐넝의 핵융합로는 자동차의 다(多) 행정 사이클 엔진처럼 자기 재연결을 반복하고 주기적으로 핵융합에너지를 내보내야 한다.
이 기술의 장점은 플라스마 가열을 외부에서 주입하는 극초단파에 의존하지 않아서 핵융합로의 건설 비용을 절감하고 반복 운전 방식은 시간이 지나면서 플라스마가 불안정해지는 현상을 막아준다. 단점은 더욱 강력한 플라스마를 제어하는 능력이 필요하다. 다른 핵융합로는 원 하나의 플라스마를 제어하면 되지만 싱환쥐넝의 기술은 양쪽 원의 플라스마를 제어해서 하나로 만들어야 한다.
싱환쥐넝보다 4개월 먼저 창업한 넝량치뎬은 본사가 상하이에 있다. 창업자 양자오는 중국 베이징대학 물리학과를 졸업하고 미국 스탠퍼드대학에서 이론물리학 박사학위를 받았다. 그는 넝량치뎬을 창업하기 전에 위안웨커지를 창업해서 인공지능으로 학생이 악기를 연습할 때 나타나는 문제점이나 오류를 인식하는 기술을 연구했다.
넝량치뎬의 최고운영책임자(COO) 예위밍은 사모펀드 운용사 KKK와 광신캐피털에서 일했고, 2021년 3월 양자오를 만났다. 그는 “2020년 말부터 양자오가 핵융합 기술의 상용화를 위한 창업을 고민했다”고 말했다. 예위밍은 미국 상황에 주목했다. 미국에서 핵융합을 연구하는 약 20개 창업기업이 대부분 2015년을 전후해 설립됐고, 초기 투자자는 인류의 미래에 관심 있는 기업인이나 패밀리오피스가 많았지만 2021년부터 전문 투자기관의 지원을 받기 시작했다.
예위밍은 “적어도 미국 학계와 산업계, 금융계 관계자의 눈에는 핵융합에너지가 우리가 상상했던 것처럼 요원한 기술이 아니었다”고 말했다. 2022년 2월 넝량치뎬은 4억위안(약 740억원)의 에인절투자를 받았다. 게임 <원신>(原神)을 출시한 게임사 미호요와 전기자동차 제조사 웨이라이자동차의 웨이라이캐피털이 리드 투자자였고 세쿼이야중국 시드펀드, 란츠창업투자가 참여했다.
예위밍은 넝량치뎬이 선택한 기술 노선은 CFS와 가장 비슷해서 고온 초전도 자기장 토카막 장치 개발에 중점을 둔다고 소개했다. 그는 “현재 전세계에서 운전 중인 고온 초전도 토카막은 없다”면서 “이 재료가 토카막에서 정상적이고 안정적으로 작동할지는 이론적 시뮬레이션 단계이고 실험 결과는 없다”고 말했다.
넝량치뎬도 3단계 전략을 세웠다. 1단계는 소형 토카막 실험장치 훙황70을 건설하는 것이 과제다. 2024년 고온 초전도 재료를 사용한 토카막 장치를 건설하고 플라스마를 제어할 수 있는 사실을 증명할 계획이다. 2단계는 훙황170을 건설해서 중심 자기장 강도를 25테슬라까지 높이고 순에너지 생산을 실현해야 한다. 2024년 말까지 장치 개발을 끝내고 2027년에 완공할 계획이다. 마지막 단계는 2030~2035년 실증로 훙황350을 건설할 계획이다.
첫 투자금을 유치한 뒤 넝량치뎬은 신아오그룹에서 궈허우양을 영입해 최고기술경영자(CTO)에 임명했다. 궈허우양은 미국 에너지부에서 중국과 미국의 핵융합 협력 연구를 조율했고, ITER 과학기술위원회 회원이었으며, JET와 중국과학원의 핵융합 실험장치 EAST 등 토카막 장치 연구에 참여했다. 2023년 4월, 넝량치뎬은 4억위안 투자를 유치했고 미호요를 비롯한 여러 투자사의 지원을 받았다.
1989년 허베이성 랑팡에 설립된 신아오그룹은 바이오에너지와 태양광, 배터리에너지 저장 시스템을 개발했고 2018년부터 핵융합 기술을 연구했다. 2019년 중형 규모의 토카막 실험장치 쉬안룽-50을 건설했고 이를 쉬안룽-50U로 개조해 2024년부터 실험을 시작할 계획이다.
앞으로 이들 기업이 계획을 이행할 수 있을지 시장의 관심이 집중될 것이다. 핵융합산업협회의 2023년 보고서는 핵융합이 자본집약형 산업이고 전세계 투자 환경이 침체되면서 창업투자가 시드머니나 초기 단계에서 끝날 수 있어 ‘죽음의 계곡’을 건너려면 새로운 투자자를 영입해야 할 것이라고 지적했다.

새로운 투자자 영입해야
최근 ‘국가대표팀’이 진입하자 민영기업의 부담이 커졌다. 40년 넘게 핵융합 기술을 연구한 허페이 플라스마물리연구소는 2000년부터 핵융합 실험장치인 EAST를 건설했고, 2023년 4월 토카막 장치를 제어 상태에서 403초 동안 운전해서 세계 최장기록을 세웠다.
플라스마물리연구소는 2025년 말까지 저온 초전도 기술을 이용한 핵융합로 핵심기술 연구시설 CRAFT를 건설하고 쥐볜신넝유한공사를 설립해 고온 초전도 기술도 개발할 계획이다. 중국광둥원자력그룹 과학기술관리부 총경리를 했던 양샤오펑이 쥐볜신넝의 회장을 맡았다. 그는 40년 동안 핵분열 기술을 연구했고 다야만(大亞灣) 원자력발전소 건설에 참여했다.
대주주인 완넝전력이 공시한 내용에 따르면 쥐볜신넝은 자본금이 50억위안으로 플라스마물리연구소와 허페이종합국가과학센터 에너지연구원 연구진이 지분 20%를 갖고 있다. 쥐볜신넝은 고온 초전도 자석 기술을 선택했고 실험로와 실증로, 상용로의 3단계 계획을 세웠다. 1단계에서 소형 핵융합 실험장치 BEST를 건설해 장시간 동안 안정적인 플라스마 제어를 실현하고 삼중수소 생산과 추출, 순환 이용을 포함한 핵융합발전의 전체 과정을 시연할 계획이다.
천루이 싱환쥐넝 최고경영자는 “민영기업과 ‘국가대표팀’이 각자 장단점이 있지만 인력과 투자 규모에서 ‘국가대표팀’이 절대적 우위를 차지한다”고 말했다. 그는 “민영기업은 리스크를 감수하고 수평적 조직 구조라서 전반적인 운영 효율이 높은 강점이 있다”며 민영기업이 핵융합 상용화 생태계에 편입되도록 정부가 지원하길 기대했다. “‘국가대표팀’이 정부의 과학연구 지원비를 대부분 가져갈 수 있지만 정책적으로 민간기업에 기회를 주기 바란다. 과학기술 분야에서 성과를 거두려면 정책적으로 한두 가지 기술만 지원할 것이 아니라 다양한 기술 노선을 이성적으로 지원할 필요가 있다.”

ⓒ 財新週刊 2024년 제2호
人工太陽提速
번역 유인영 위원