오픈AI의 CEO 샘 올트먼(Sam Altman)이 후원하는 스타트업, 헬리온 에너지(Helion Energy, 이하 ‘헬리온’)가 5년 후에 세계 최초의 핵융합 발전소를 가동할 수 있는 궤도에 올랐다고 밝혔다. 이들이 주장하는 ‘5년’이라는 시간은 과학자들이 지난 75년 동안 성공하지 못한 핵융합 발전 상용화까지의 기간을 극적으로 단축한 것이다.

태양이 에너지를 얻는 과정을 재현하는 ‘핵융합 발전’ 상용화에 가까워졌다는 헬리온의 발표는 믿기 어려울 정도로 놀라운 주장이다. 실제로 일부 원자력 전문가들은 이들의 주장이 의심스럽다고 생각한다. 헬리온이 핵융합 발전을 위한 첫 번째 관문을 통과했는지 언급한 적도 없고 이에 대해 답하지도 않을 것이기 때문이다. 그 첫 번째 관문이란 핵융합 반응을 일으키는 데 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 얻는 것이다.

그럼에도 불구하고 워싱턴주 에버렛에 본사를 둔 10년 차 스타트업 헬리온은 소프트웨어 대기업 마이크로소프트와 전력 구매 계약을 체결하면서 핵융합 발전소의 첫 번째 고객을 확보했다. 헬리온의 계획에 따르면 이 핵융합 발전소는 워싱턴주 어딘가에 건설되어 2028년에 가동을 시작하고 그로부터 1년 이내에 50MW(메가와트) 이상의 최대 발전 용량에 도달할 것이다.

이 정도 발전 용량은 발전소라고 하기에는 적은 수준이다. 일반적인 미국 천연가스 발전소의 발전 용량은 현재 500MW를 훨씬 뛰어넘는다. 그렇다고 해도 헬리온이 계획을 성사시킨다면 이는 엄청난 일이 될 것이다. 경제적인 상업용 핵융합 발전소는 태양광이나 풍력 발전처럼 간헐적으로 중단될 위험 없이 그리고 핵융합 기술과 밀접한 핵분열 관련 논란이나 우려 없이 온실가스 배출이 없는 ‘깨끗한 전기’를 지속적으로 공급할 수 있다. 핵융합 발전은 기후변화를 초래하는 전력 발전 부문의 온실가스를 더 쉽고 더 저렴하게 제거할 수 있게 하며, 교통, 가정, 사무실 건물, 산업에서 발생하는 오염을 줄이려고 전 세계가 경쟁하면서 급증하게 될 전력 수요를 충족시키는 데도 도움을 줄 것이다.

다른 핵융합 기술 스타트업들은 발전소 운영 개시를 2030년 초로 계획하고 있지만, 이것 역시 지나치게 낙관적이라고 생각하는 사람도 많다.

원자력 에너지 사용을 지지하는 정책 연구 단체 굿에너지 컬렉티브(Good Energy Collective)의 제시카 러버링(Jessica Lovering)은 헬리온이 대단히 획기적인 진전을 이루어낸 상황이 아니라면 여전히 해결하기 매우 어려운 기술적 과제에 직면해 있을 것이라고 말한다.

여기서 말하는 기술적 과제에는 핵융합 과정에 사용되는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 것과 생산한 에너지를 전력망에서 활용할 수 있는 형태의 저렴한 전기로 전환하는 것이 포함된다.

러버링은 “따라서 아직 입증되지 않은 커다란 두 단계가 있다”고 말하며, “헬리온이 이러한 단계를 넘어설 정도의 기술력을 갖췄는지에 대해서는 회의적”이라고 덧붙인다.

브레이크스루 연구소(Breakthrough Institute)의 원자력 에너지 혁신 프로그램 책임자 애덤 스타인(Adam Stein) 또한 헬리온이 여전히 몇 가지 큰 기술적 어려움에 직면해 있다고 생각한다.

그는 “기술적 장벽에 직면했다는 것이 불가능을 의미하지는 않지만, 승리를 향해 순조롭게 나아가고 있는 상황을 의미하지도 않는다. 이를 해결하려면 돌파구를 찾아야 할 것이다”라고 말한다.

순에너지 획득 달성

현재까지 로런스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 산하의 국립점화시설(National Ignition Facility)이라는 연구 기관만이 이른바 ‘과학적 순에너지 획득(scientific net energy gain)’을 달성했다. 이는 핵융합 반응을 촉발하는 데 사용되는 192개의 레이저를 통해 전달된 에너지보다 더 큰 에너지를 핵융합로에서 생산했음을 의미하며, 국립점화시설은 작년 말에 이러한 성과를 이루어냈다.

그러나 해당 실험에서는 레이저를 작동시키고 핵융합 과정을 촉발하는 데 사용된 총 에너지를 고려하는 ‘공학적 획득(engineering gain)’을 달성하지는 못했다. 전문가들은 실용적인 상업용 핵융합 시스템을 개발하려면 이 지점에 반드시 도달해야 한다고 말한다. (한편, 국립점화시설도 이 실험에서 달성한 성과를 지금까지 다시 재현하지는 못했다.)

2015년에 헬리온의 CEO 데이비드 커틀리(David Kirtley)는 앞으로 3년 후면 헬리온이 ‘과학적 순에너지 획득’을 달성할 것이라 생각한다고 말했다. 이번 기사를 작성하면서 헬리온이 과학적 획득이나 공학적 획득을 달성할 수 있을 것 같은지, 만일 그렇다면 언제 그런 성과를 달성하리라고 예상하는지 다시 묻자 헬리온 측에서는 회사의 경쟁력 문제를 언급하며 답변을 거절했다. 헬리온은 “처음 예상할 때는 자금을 더 빠르게 조달할 수 있으리라고 가정했었다”고 밝혔다.

기술적 과제 외에도 헬리온은 미국 원자력규제위원회(US Nuclear Regulatory Commission)가 아직 핵융합 발전 분야를 감독할 방법에 대한 세부 사항을 마무리 짓지 못한 상황에서 상업용 발전소를 계획, 허가받고 건설해야 할 것이다.

그러나 커틀리는 거의 160명의 직원을 고용하고 있는 헬리온이 다른 연구 단체나 스타트업이 직면한 문제 중 일부를 피하는 접근 방식을 취하고 있다고 강조한다. 그는 또한 헬리온이 이미 상당한 진전을 이루었다고 말한다.

헬리온은 현재까지 6개의 프로토타입을 개발하여 테스트했다. 2021년에 헬리온은 트렌타(Trenta)라는 이름의 최신 제품이 섭씨 1억 도 이상에 도달했다고 발표하며, 상업용 핵융합 발전소 운영에 필요한 온도를 달성했다고 밝힌 최초의 민간 기업이 되었다. 헬리온은 현재 7세대 프로토타입인 폴라리스(Polaris)를 제작하고 있으며, 이곳은 내년 핵융합 반응으로 전기 생산 능력을 입증할 것으로 기대된다.

MIT 테크놀로지 리뷰의 질문에 대해 헬리온은 “핵융합의 역사를 고려할 때 우리는 회의론이 있을 수 있음을 이해하고 있으며 그런 회의론이 건강한 반응이라고 생각한다”고 밝혔다.

그러면서 “6세대 프로토타입을 통해 얻은 결과와 진척을 통해 우리가 계획한 일정이 현실적이며 2028년까지 최초의 핵융합 발전소를 건설할 수 있으리라는 큰 확신을 얻었다”고 덧붙였다.

플라스마와 펄스

기존 원자력 발전소에서 사용하는 핵분열 반응은 원자를 분열시키지만, 핵융합 방식은 극도의 고온에서 원자를 융합시킨다. 여기서 극도의 고온을 사용하는 이유는 원자가 서로 근접했을 때 일반적으로 발생하는 반발력을 극복하기 위해서이다. 핵융합을 거치면 질량이 약간 줄어든 새로운 원자가 만들어지는데, 이러한 질량 손실 과정에서 엄청난 에너지가 생산된다.

대부분의 연구소와 스타트업들은 강력한 레이저를 사용하거나 강력한 자석으로 둘러싸인 도넛 모양의 토카막(tokamak)이라는 장치를 사용해 핵융합 반응이 지속적으로 일어날 수 있는 점화(ignition)라는 조건을 만든다. 그러나 헬리온이 개발하고 있는 ‘펄스 비점화 핵융합 시스템(pulsed non-ignition fusion system)’ 시스템에서는 지속적인 핵융합 대신 짧은 기간 동안에만 핵융합이 이루어지면 된다.

헬리온의 장치는 역기(barbell) 모양으로 생긴, 약 1.8 x 12m 크기의  ‘플라스마 가속기(plasma accelerator)’이다. 이 장치는 강력한 자석을 사용해서 기체 혼합물을 원자가 분해될 정도의 고온으로 가열하여 장치 양쪽 끝에  극도로 뜨거운 물질 상태로 이루어진 플라스마(plasma)라는 고리를 만든다.

그런 다음 자석을 이용해 이 고리들이 약 161만km/h의 속도로 서로를 향해 움직이게 한 후에, 장치 중앙에서는 고리들을 압축해서 섭씨 1억 도가 넘는 온도를 만들어낸다고 헬리온은 설명한다. 이를 통해 원자핵이 충돌하고, 양성자와 중성자가 결합하고, 다양한 입자가 방출되며 에너지가 생성되는 핵융합 반응이 촉진된다.

다른 핵융합 접근법에는 물이나 다른 유체를 가열해서 터빈 가동용 증기로 전환하는 등의 전통적인 방식을 통해 에너지를 전기로 전환하는 추가 단계가 필요하다. 그러나 커틀리는 헬리온이 채택한 접근 방식에서는 전기를 직접적으로 회수할 수 있다고 말한다.

플라스마가 계속 가열되고 팽창하면서 플라스마 자체의 자기장이 장치를 둘러싼 자석이 생성하는 자기장을 밀어낸다. 이 과정에서 인접한 전자기 코일을 통해 하전입자의 흐름, 즉 전류(electric current)가 유도된다. 그러면 축전지(capacitor)라는 에너지 저장 장치를 충전해서 자석에 전원을 공급하고 다음 펄스를 전달할 준비를 한다.

발전소로 기능하려면 헬리온의 장치는 펄스에 필요한 에너지 외에도 추가 에너지를 생산해야 한다. 그렇게 생산된 추가 에너지는 교류 전류로 변환되어 전력망에 전달될 것이다.

헬리온이 계획하고 있는 상업용 발전기가 헬리온의 최신 프로토타입보다 물리적으로 더 클 필요는 없다. 그러나 커틀리는 냉각, 전기 연결 및 기타 목적을 위한 추가 시스템이 필요할 것이라고 말한다.

“공학적 과제”

위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스(University of Wisconsin Madison)의 원자력공학과 교수 폴 윌슨(Paul Wilson)은 상업용 핵융합 발전소가 2028년에 구동된다면 깜짝 놀랄 것이라고 말한다. 그러나 그는 “그런 일이 실제로 일어날 수 있다면 매우 흥미로울 것”이라고 덧붙인다.

그는 헬리온의 접근법에 근본적인 이점이 있음에 동의하지만, 몇 가지 단점도 존재한다고 지적한다.

핵융합 반응을 촉발하기 위해 가장 흔히 사용하는 연료는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 조합이다. 그러나 헬리온은 삼중수소 대신에 헬륨-3를 사용한다.

삼중수소 대신 헬륨-3를 사용하면 원자핵 구성 입자 중에서 다른 물체를 방사성으로 만드는 중성자가 더 적게 방출될 것이다. 그러면 장치의 손상을 줄일 수 있으며 방사성 폐기물 문제도 완화할 수 있다. 그러나 윌슨은 이것이 핵융합 조건을 촉발하는 데 필요한 연료를 얻고 기술을 구현하기 위한 과정을 복잡하게 만든다고 지적한다.

마찬가지로 잽에너지(Zap Energy) 같은 경쟁 스타트업들도 추구하고 있는 펄스 방식을 활용하면 지속적인 핵융합 반응을 만들어 낼 필요성이 사라진다. 그러나 이것 또한 훨씬 어려운 공학 기술을 필요로 한다.

윌슨은 “어려운 부분은 충분한 에너지를 생산할 수 있을 정도로 큰 펄스를 만들어내고 나서 다음 펄스에 연료를 공급할 수 있을 정도로 충분한 에너지를 확보할 수 있는지 증명하는 것이다. 그들이 그렇게 할 수 있다면 나머지 시스템에서 그들이 직면할 수 있는 공학적 과제는 다른 회사들이 해결하고자 하는 과제보다 훨씬 쉬울 것이다”라고 말한다.

“강한 확신”

헬리온에 유리한 몇 가지 요건들이 있다. 그중 하나는 헬리온이 연구에 활용할 수 있는 상당한 자금을 확보하고 있다는 사실이다.

헬리온은 현재까지 피터 틸(Peter Thiel)의 미스릴캐피털(Mithril Capital), 와이콤비네이터(Y Combinator), 페이스북의 공동설립자 더스틴 모스코비츠(Dustin Moskovitz), 링크트인의 공동설립자 리드 호프먼(Reid Hoffman) 등 여러 투자자로부터 5억 7,000만 달러(약 7,641억 원)의 투자금을 조달했다. 그러나 이 투자금의 대부분은 2021년 11월에 발표한 5억 달러 규모의 투자금 조달을 통한 것이며, 여기에는 오픈AI의 CEO 샘 올트먼이 투자한 3억 7,500만 달러가 포함돼 있다. 이는 샘 올트먼의 단일 투자 중 최대 규모이다.

올트먼은 이전에 MIT 테크놀로지 리뷰와의 인터뷰에서 “헬리온에 처음에 1,000만 달러를 투자했다가 이들의 접근 방식에 가능성이 있다고 매우 확신하게 되면서 투자금을 상당히 늘렸다”고 밝힌 바 있다.

5월 10일에 발표한 내용에 따르면 마이크로소프트는 헬리온의 핵융합 발전소가 나중에 건설되고 가동되리라는 가정하에 헬리온이 생산하는 전기에 대한 비용을 지불할 것이다. 마이크로소프트는 이미 투입된 선급금이 있는지, 헬리온에 투자한 적이 있는지에 대한 질문에 답하지 않았다.

커틀리는 이번 계약 덕분에 헬리온이 한 장소에 집중할 수 있을 것이며, 핵융합 발전 상용화와 관련한 추가적인 활동을 촉진할 수 있는 시장 수요를 보여줄 수 있을 것이라고 말한다.

마이크로소프트의 부회장 겸 사장인 브래드 스미스(Brad Smith)는 준비된 성명서를 통해 이번 계약이 마이크로소프트의 “장기적인 청정에너지 목표”에 도움을 줄 것이며 “더 많은 청정에너지를 더 빠르게 전력망에 공급할 수 있는 새롭고 효율적인 방법을 확립함으로써 (청정에너지) 시장을 발전시킬 것”이라고 밝혔다.

규제 문제

상용화 활동이 늘어나는 상황에서 미국 원자력 규제 위원회는 최근 핵융합 발전소 허가 방법에 대한 핵심적인 결정을 내렸다. 핵분열 원자력 발전소에 사용되는 더 까다로운 과정 대신 연구용 입자 가속기에 사용되는 접근 방식을 채택한 것이다.

전문가들은 핵융합 시스템이 핵폐기물을 생성하기 때문에 이러한 핵폐기물을 처리하고 결국에는 발전소를 해체하기 위한 세심한 절차와 규칙이 필요하다고 말한다. 그러나 핵융합 시설은 핵분열 발전소처럼 독성이 매우 장기간 지속되는 방사성 폐기물을 발생시키지 않으며, 원자력 발전소에 동반되는 핵폐기물 저장 문제, 각종 논란 및 핵무기 확산 위험을 초래하지 않는다.

원자력 규제 위원회 직원들은 이제 이러한 기준을 근거로 핵융합 발전소를 허가하기 위한 규칙 제정 과정을 수립해야 하며, 이는 몇 달에서 몇 년까지 소요될 수 있다.

그러나 브레이크스루 연구소의 스타인은 앞으로 핵융합 발전 사업이 기존의 원자력 발전소보다 더 빠르게 승인되어야 한다고 말한다. 미국에서 원자력 발전소를 허가받고 건설하는 데는 10년이 걸릴 수 있다.

커틀리는 현재 연구 진척 상황, 원자력 규제 위원회의 결정, 주 및 연방 규제 기관과의 지속적인 협력, 이미 허가받은 헬리온의 기존 프로토타입 등을 고려할 때, 헬리온이 2028년에 세계 최초의 핵융합 발전소를 가동할 수 있으리라고 ‘확신’한다.

그러나 그는 헬리온이 해결해야 할 큰 과제들이 있으며 프로젝트가 지연될 가능성이 있음을 인정한다.

그는 “핵융합은 어렵고, 새로운 발전소 건설도 어려우며, 무엇이든 최초로 만들어내는 것 또한 어려운 것이 사실”이라고 말하며, “이는 우리가 앞장서서 오늘날 모든 문제를 해결하려고 노력하는 한 가지 이유”라고 강조한다.