무한 에너지의 꿈, 인공태양 뜬다

 

무한 청정에너지
핵융합 인공태양
‘인공태양’이라 부르는 꿈의 에너지 핵융합발전이 현실로 점차 다가오고 있다. 핵융합발전은 기후변화와 자원고갈 위기를 해소할 차세대 에너지원으로 단연 주목받는다. 핵폐기물이나 탄소를 발생시키지 않으면서도 에너지 효율이 높다. 다만 상용화까지는 상당한 시간이 걸릴 전망이다. 지구에서 태양과 같은 환경을 만들기 위해 초고온·초고압 상태를 구현하는 것이 기술적 난제다. 현재 한국을 비롯해 미국, 중국, 일본, 러시아, 인도, 유럽연합이 공동으로 국제핵융합실험로(ITER)를 건설 중이다. 기술 개발이 순조롭게 진행된다면 2050년에는 핵융합발전을 가동할 수 있으리라 기대한다. _편집자

장얼츠 張而馳 친민 覃敏 <차이신주간> 기자
 

▲ 현재 가장 성숙한 핵융합로 설계 방안인 토카막 장치는 저항이 ‘0’인 초전도 재료를 사용해 강한 자기장을 만든다. 2017년 카자흐스탄 아스타나에서 열린 세계박람회 중국관에 전시된 핵융합로 모형. 신화 연합뉴스

공상과학소설에서 인류의 궁극적인 에너지원으로 등장하는 인공태양, 즉 핵융합 기술이 현실 세계로 들어오고 있다.
중국 산시성 시안시 북쪽 지역에 있는 10m 높이의 공장에는 둥근 모양의 대형 장치가 우뚝 서 있다. 이 장치는 2024년 1분기에 내부 온도를 태양의 중심부 온도인 1500만 도보다 높은 1700만 도까지 가열할 계획이다. 이 인공태양을 만드는 싱환쥐넝(Startorus Fusion)은 2021년 10월에 설립됐고, 2년 만에 6억위안(약 1105억원)이 넘는 투자금을 유치했다. 2032년을 전후해 핵융합 기술을 이용한 전력 생산을 상용화하는 것이 목표다.
상하이와 안후이성 허페이, 허베이성 랑팡에서도 인공태양을 연구하는 실험로를 건설하고 있다. “핵융합 기술은 정보기술(IT) 분야의 양자컴퓨터나 인공지능(AI)과 견줄 수 있는 에너지 분야의 중요한 혁명이다.” 중국과학원이 설립한 투자회사 중커촹싱의 창업 파트너 미레이는 싱환쥐넝의 투자자다. 그는 “탄소중립을 이행하고 인공지능 기술을 활용하려면 전력 수요가 갈수록 늘어날 것이고 핵융합 기술 개발을 서둘러야 한다”고 말했다.
원자력발전은 핵분열 기술을 이용해 무거운 원자핵을 가벼운 원자핵으로 쪼개는 과정에서 에너지를 얻는다. 핵융합 기술은 반대로 가벼운 원자핵이 결합해 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지를 만든다. 태양을 포함한 우주의 항성이 열을 만들고 빛을 내보내는 원리와 같다. 학계에서는 인공태양이 인류의 궁극적인 에너지원이라고 평가한다.
 

▲ 중국은 상하이와 안후이성 허페이, 허베이성 랑팡 등에서 인공태양을 연구하는 실험로를 건설하고 있다. 쓰촨성 청두시의 핵융합 실험로 건설현장. REUTERS

인류 청정에너지의 미래
라파엘 마리아노 그로시 국제원자력기구(IAEA) 사무총장은 “1천g의 연료가 핵융합으로 만들어내는 에너지가 핵분열의 4배고, 석유나 석탄을 연소해서 생산한 에너지보다 400만 배 많다”면서 “핵융합은 인류 청정에너지의 미래”라고 말했다. 공상과학 소설이나 영화에서 이런 미래를 묘사했다. 중국 영화 <유랑지구>(流浪地球)에서 지구를 전진하게 하는 행성 엔진과 소설 <삼체>(三體)에서 행성 간 이동 우주선의 추진 엔진, 영화 마블 시리즈에서 아이언맨의 가슴에 박힌 소형 핵융합로 아크원자로(Arc Reactor)는 핵융합 기술에서 시작된 상상이다.
1952년 첫 번째 수소폭탄 실험을 진행한 뒤 세계 각국은 핵융합으로 전력을 생산하는 기술을 연구했지만 성공한 사례는 없다. 1985년 로널드 레이건 미국 대통령과 미하일 고르바초프 소련 지도자의 제안으로 각국이 공동으로 핵융합반응로를 만들기로 합의했다. 지금 프랑스에서 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)다. 옛소련 해체 등 환경 변화를 겪은 뒤 2006년 ITER 사업이 시작됐고, 200억달러(약 26조5600억원) 넘는 비용이 투입됐다. 유럽연합(EU)과 중국, 미국, 러시아, 인도, 일본, 한국 등 7개국이 출자해 2016년 완공할 계획이었지만 2030년 이후로 연기된 상태다.
2021년 고온 초전도 기술이 진전을 거두자 자본시장에서 핵융합 기술에 투자하기 시작했다. 같은 해 11월, 미국 핵융합 기업 헬리온에너지가 5억달러를 투자받았다고 밝혔다. 투자자에 챗지피티(ChatGPT)를 개발한 오픈에이아이(AI) 창업자 샘 올트먼과 페이스북 공동창업자 더스틴 모스코비츠가 포함됐다. 올트먼은 2015년부터 헬리온에너지 이사회 의장을 맡았고, 핵융합 기술은 그의 또 다른 중요한 사업이다. 인공지능에 필요한 청정에너지를 끊임없이 제공하려는 목적이다.
같은 시기에 캐나다 핵융합 기업 제너럴퓨전이 1억3천만달러 규모의 투자를 받았다. 싱가포르 국부펀드 테마섹이 리드 투자자였고 제프 베이조스 아마존 창업자 등이 투자했다. 한 달이 지난 뒤, 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 플라스마과학 및 핵융합 센터에서 태동한 민간기업 CFS(Commonwealth Fusion Systems)가 18억달러 넘는 투자를 받아 업계를 놀라게 했다. 미국의 헤지펀드 타이거펀드(Tiger Fund)와 빌 게이츠 마이크로소프트 창업자, 구글 등이 투자자 명단에 있었다. 2030년대가 끝날 때까지 첫 번째 핵융합발전소를 건설하는 것이 목표다.
미국 핵융합산업협회(FIA) 보고서에 따르면 2022년까지 전세계 핵융합 기업이 총 47억달러(약 6조2400억원)를 조달했고 그중 28억달러가 2021년 중반 이후에 진행됐다. 2023년이 되자 투자 규모는 62억달러로 늘었는데, 그중 정부지원금을 포함한 공공자금은 2억7천만달러에 불과했고 대부분 민간부문의 투자였다.
이 협회는 핵융합 투자가 늘자 기업 수가 2022년 33개에서 2023년 43개로 늘었고 그중 25개 기업이 2035년 전에 세계 최초의 핵융합발전소를 완공해 전력을 생산하리라 판단했다고 밝혔다.
진즈젠 상하이시 고온 초전도 재료 및 시스템공정기술센터 주임은 “핵융합 기술이 실현되면 세계 에너지 구도를 바꿀 것이다. 에너지시장을 자원을 확보한 국가가 아닌 기술을 보유한 국가가 주도할 것”이라고 말했다.
각국 정부도 새로운 기회를 놓치지 않았다. 2022년 3월 미국 백악관은 핵융합 에너지 포럼을 열어, 미국의 핵융합 에너지 상용화를 위한 10년 계획을 논의했다. 같은 달 미 에너지부는 핵융합 기초연구에 5천만달러를 지원했고, 2023년 5월에는 8개 기업의 핵융합발전소 건설을 위해 4600만달러를 지원했다. 영국 정부는 2021년부터 핵융합 분야에 14억파운드(약 2조3600억원)를 투자했고, 2040년까지 세계 최초의 핵융합 시범 발전소를 건설하기 위한 차세대 핵융합 실험장치 스텝(STEP·Spherical Tokamak for Energy Production) 계획을 추진하고 있다. 2023년 10월에는 핵융합 관련 입법을 추진해서 ‘에너지법’에 핵융합 설비에 관한 감독규칙을 명시했다.
 

▲ 중국에서 핵융합 기술 연구가 활발한 가운데 민간자본의 지원을 받아 넝량치뎬과 싱환쥐넝이 2021년에 설립됐다. 안후이성 허페이의 핵융합 실험로 토카막 위로 오성기가 펄럭이고 있다. REUTERS

세계 에너지 구도의 격변
중국에서도 핵융합 기술 연구가 활발하다. 민간자본의 지원을 받아 넝량치뎬과 싱환쥐넝이 2021년에 설립됐고 지금까지 총 14억위안(약 2580억원)을 조달했다. 중국과학원 플라스마물리연구소와 중국핵공업그룹 서남물리연구원이 ‘국가대표팀’을 이끌고 2023년부터 사업에 속도를 냈다.
2023년 5월, 플라스마물리연구소와 협력하는 쥐비엔신에너지가 안후이성 허페이에 설립됐다. 자본금 50억위안 규모로 소형 핵융합 실험로 베스트(BEST·Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak)를 건설할 계획이다. 11월에는 중국핵공업그룹과 장시성 정부가 전략적 협력에 관한 양해각서(MOU)를 체결하고 200억위안을 투자해서 장시성에 핵융합 시설을 건설하기로 했다. 12월29일 중국핵공업그룹 주도로 25개 중앙국유기업과 연구기관, 대학이 쓰촨성에 핵융합 혁신 컨소시엄을 설립해 핵심기술을 공동 개발하기로 하고 쥐비엔에너지유한공사의 현판식을 했다.
천루이 싱환쥐넝 최고경영자(CEO)는 “핵융합 실험장치를 건설하려면 많은 난제를 해결해야 하지만 핵융합반응로의 온도 조건 등 물리적 원리는 명확한 편”이라고 말했다. 그는 “이미 알려진 공정기술에서 최적의 조합을 찾아 핵융합에 필요한 극한의 환경을 만드는 것이 경쟁의 핵심”이라며 “중국은 일부 공정기술에서 앞서 있다”고 말했다.
핵융합반응 조건은 매우 가혹하다. 1억 도 넘는 온도는 공정 기술의 한계를 시험하고 기술을 개선할 때마다 거액이 필요하다. 자본은 소형 핵융합반응로의 가능성을 높게 평가했지만 지금까지 완공된 사례가 없고 전력 생산이나 규모화를 통한 비용 절감은 논의할 단계가 아니다. 관련 기술이 초기 단계이고 앞으로 수많은 과제를 해결해야 한다.
핵융합 기술의 탐색은 지난 수십 년 동안 기대와 실망을 반복하며 쉽지 않은 과정을 거쳤다. 1997년 건설되기 시작한 미국 로런스리버모어국립연구소의 국립점화시설(NIF)은 오랫동안 ‘영원히 점화되지 않는 시설’(Never Ignition Facility)이라는 비웃음을 샀다. 그러다가 2022년 12월 처음 핵융합 실험에서 ‘순(純) 에너지 생산’(Net Energy Gain)에 성공했다. 핵융합으로 생산된 에너지가 투입된 에너지양을 초과했다는 뜻이다. 어쩌면 라이트 형제의 첫 비행과 견줄 만한 의미 있는 순간이었을지 모른다.
1903년 라이트 형제가 인류 최초의 동력 비행기를 시험한 뒤 항공우주산업으로 발전하기까지 수많은 시행착오와 진전이 있었다. 2021년 국제원자력기구는 지난 50년 동안 핵융합 실험으로 핵융합 장치의 성능이 10만 배 이상 향상됐지만, 핵융합발전소를 가동할 수준에 이르려면 5배는 더 개선해야 한다고 밝혔다. 이 5배는 얼마나 먼 거리일까?
 

▲ 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)의 핵융합반응 장치 내부 단면도. ITER 건설에 한국을 비롯해 세계 주요 7개국이 참여하고 있다. ITER

고온 초전도 기술의 발전
핵융합 기술 개발은 극한의 반응 조건을 만드는 것이 관건이다. 자연계에서 가장 쉽게 실현할 수 있는 핵융합반응은 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소가 결합해서 중성자 하나와 헬륨을 만드는 방법이다. 수소보다 중성자가 하나 더 있으면 중수소, 두 개 더 있으면 삼중수소다.
궈신증권의 보고서에 따르면 바닷물에 있는 중수소의 저장량이 40조t을 넘고 추출 기술도 발전했는데 삼중수소는 얻기 힘들다. 현재 유일한 상업적 공급원이 캐나다에 있는 중수소 원자로 19기인데, 원자로 한 기의 1년 생산량이 500g에 불과하고 가격도 g당 3만달러(약 4천만원)에 이른다. 삼중수소는 방사성원소에 속하는데 반감기(방사성물질의 양이 처음의 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간)가 12.4년이고 보관 과정에서 계속 유실된다. 그러나 중수소와 삼중수소 핵융합반응으로 만들어진 중성자를 리튬의 동위원소인 리튬-6에 조사하면 헬륨과 삼중수소로 분열한다. 이렇게 생산한 삼중수소를 핵융합 연료로 쓰면 삼중수소의 자급자족을 실현할 수 있다.
태양은 고온·고압 조건을 모두 갖췄기 때문에 끊임없이 핵융합으로 에너지를 만들 수 있다. 지구에서 태양과 똑같은 환경을 만들기는 쉽지 않다. 수소폭탄도 중수소-삼중수소 핵융합을 유도하기 위해 원자폭탄을 기폭제로 사용한다. 핵융합은 연료를 고밀도 상태로 압축하는 ‘관성 가둠 핵융합’(Inertia Confinement Fusion)과 연료를 1억 도 이상 고온으로 가열해서 플라스마(Plasma) 기체를 만들어 핵융합반응을 일으키는 ‘자기 가둠 핵융합’(Magnetic Confinement Fusion) 기술이 있다.
관성 가둠 핵융합 방식은 핵융합반응 사이에 간격을 두고 가열하는 방법으로 핵융합반응을 지속한다. 그러나 핵융합반응에 필요한 1억 도는 태양의 표면 온도보다 2만 배나 높고 지구상에 이런 온도를 견딜 수 있는 재료는 없을 것이다. 이런 핵융합반응을 위한 용기를 만드는 것이 가장 큰 도전이다.
1950년대에 옛소련의 과학자가 발명한 토카막(Tokamak)은 형태가 도넛과 비슷하다. 자기장을 이용해 전기 성질을 띤 플라스마를 고리 모양으로 된 진공실 중앙에 가둬, 반응로 벽과 간격을 유지해서 용기가 녹지 않도록 막아준다. 마지막으로 용기를 순환하는 냉각수가 핵융합반응으로 생산된 열을 식히고 그때 발생한 증기로 전기를 만든다.
현재 가장 성숙한 핵융합로 설계 방안인 토카막 장치는 저항이 ‘0’인 초전도 재료를 사용해 강한 자기장을 만든다. 전류가 초전도 코일을 통과해도 발열하지 않고 코일의 과열을 방지하기 위해 간헐적으로 운전할 필요가 없어 핵융합반응 시간을 늘릴 수 있다. 2001년 공정설계를 마친 ITER은 전세계에서 가장 규모가 큰 핵융합 실험장치인데 저온 초전도 재료로 토카막을 만들었다. 높이는 30m, 중량은 2만3천t이다. ITER은 라틴어로 ‘길’을 의미한다. 핵융합로 각 부분이 검증을 통과해 핵융합발전소를 건설하는 길을 마련한다는 기대를 담고 있다.
경험이 부족한 상태에서 35개 국가가 협력하는 ITER 사업은 시작부터 순탄하지 않았고 계속 설계를 변경했다. “실험장치에서 실험로 단계로 넘어가는 데 필요한 작업과 난도는 선형 비례가 아니라 기하급수로 늘어난다.” 2023년 11월에 열린 제3회 중국 자기가둠핵융합 회의에서 첸샤오융 과학기술부 중국 국제핵융합에너지 기획집행센터 부주임은 “현재 ITER이 당면한 문제는 실험장치의 부피가 너무 큰 것”이라면서 “한국에서 제조한 진공실이 용접 과정에서 변형이 생겨 설치하지 못했고, 완공 일정이 2030년 이후로 연기됐다”고 말했다.
그러나 YBCO(이트륨·바륨·구리 산화물) 등 2세대 고온 초전도 재료 기술이 발전하면서 핵융합로의 소형화가 가능해졌다. 진즈젠 주임은 “CFS가 2018년 설립 뒤 지금까지 고온 초전도 재료의 상용화에 주목했고, 전세계에서 공급업체를 찾았다”고 말했다.

핵융합로의 소형화
그는 토카막의 출력이 자기장 강도의 네제곱에 비례하고 부피의 제곱에 비례한다고 설명했다. 자기장이 강할수록 용기 부피를 적게 해서 건설비용을 절감하고 기간을 단축할 수 있다는 뜻이다. 2019년 9월, MIT와 CFS는 고온 초전도 재료로 만든 토카막 장치의 중심 자기장 강도가 최고 20테슬라(T·자속밀도 단위)라고 밝혔다. 저온 초전도 재료를 사용한 ITER의 중심 자기장 강도는 5.3테슬라다. 같은 해 CFS는 18억달러가 넘는 투자를 받았고, 실험장치 스파크(SPARC)를 건설해 핵융합로의 타당성을 증명할 준비를 시작했다. CFS가 설계한 SPARC의 중심 자기장 강도는 12테슬라, 부피는 ITER의 65분의 1이지만 전기 출력은 ITER의 5분의 1이다. ITER보다 앞서 2025년에 완공할 계획이다.
CFS가 앞서가자 전세계 핵융합 시장에 불을 지폈고 각국은 계속 연기된 ITER에 기대를 버리고 각자의 길을 개척했다.
“MIT팀의 경험을 통해 전세계 인류의 힘을 모아서 수백억달러를 투자했던 사업을 한 기업이 그보다 훨씬 적은 자금으로 성과를 거둔 사례를 확인했다. 그러자 기업들이 기회를 잡았다.” 왕광시 레노버창업투자 파트너는 “지난 20년 동안 국제 분업이 가장 긴밀했던 기간에도 ITER이 성공하지 못했다”면서 “지금은 각국이 상업적 방법으로 추진해서 핵융합 기술 개발에 국가 간 경계가 생길 것”이라고 말했다.

ⓒ 財新週刊 2024년 제2호
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번역 유인영 위원