What fusion’s breakthrough means for clean energy

핵융합 실험의 성공, 청정에너지 생산으로 이어질까

인공적으로 일으킨 핵융합에서 얻는 에너지는 탄소를 배출하지 않는 청정에너지이다. 미국 국립연구소는 세계 최초로 투입된 에너지양을 초과한 에너지를 생산하는데 성공했다. 그러나 핵융합 발전소의 건설까지는 갈 길이 멀다. 앞으로 기술의 상용화를 위해 긴 여정이 펼쳐질 것이다.

수십 년 동안의 연구 끝에 과학자들은 핵융합 연구에서 새로운 이정표를 세웠다. 마침내 투입한 양보다 더 많은 에너지를 생산하는 핵반응을 일으킨 것이다.

미국 에너지부 장관 제니퍼 그랜홈(Jennifer Granholm)은 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 산하 국립점화시설(National Ignition Facility, NIF)의 연구원들이 핵융합 연구에서 상징적인 쾌거라 할 수 있는 이른바 ‘순 에너지 이득(net energy gain)’을 달성했다고 발표했다. 순 에너지 이득이란 핵융합 원자로에서 소모된 에너지보다 더 많은 에너지가 생산되었다는 의미이다.

이 성과는 1950년대부터 연구원들이 추구해 온 목표인 핵융합 에너지의 기본적인 실용성을 실증한 것이다. 그러나 이 과학적 실험에는 세계에서 가장 강력한 레이저가 투입되었으며 실질적으로 핵융합 발전으로 바로 연결 짓기는 어렵다. 핵융합을 실험 단계에서 상용화할 수 있는 기술로 발전시켜 전력망에 안정적인 무탄소 에너지를 공급하기 위해서는 과학과 공학 분야에서의 더 많은 기술 도약이 필요하다.

핵융합 원자로 또는 별의 중심부에서 발생하는 핵융합 반응에서는 원자들이 서로 충돌하다 결국 융합되어 에너지를 방출한다. 핵융합 에너지의 목적은 핵반응을 통해 투입된 양보다 더 많은 에너지를 얻어내고 이 연료를 보관하는 것이며, 이 모든 과정을 통제하는 것이다. 이는 아직 실제로 증명된 적이 없었다.

그런데 미국 국립점화시설(NIF)에서 진행된 핵융합 반응 실험은 이를 구현해냈다. 핵융합 원자로에서 레이저가 공급한 2.05메가 줄(MJ)보다 많은 3.15메가 줄의 에너지를 생성한 것이다. 지난해 같은 시설에서 수행한 실험에서는 생산된 에너지가 핵융합 원자로에 투입된 에너지의 약 70%였다. 레이저를 구동하기 위해서는 핵융합 원자로에 공급한 것보다 더 많은 에너지가 필요하지만, 시스템 내에서 순 에너지 이득을 얻은 것만 해도 이번 실험 결과는 과학적 이정표가 될 수 있다.

“이번 핵융합 에너지 실험의 결과로 관련 업계와 학계가 탄력을 받을 것으로 보인다.” MIT의 원자력 과학 공학 학과장 앤 화이트(Anne White)는 이렇게 말하면서도 내일 당장 전력망에 핵융합 전력을 공급하는 것은 “현실적이지 않다”라고 덧붙였다.

이 연구소에서는 세계 최대의 초강력 레이저를 사용하여 ‘관성 가둠(inertial confinement) 핵융합’이라고 하는 핵융합 접근법을 적용했다. 이는 수십억분의 1초 동안 레이저를 발사해 생성된 X선으로 압축 및 가열하여 후추 열매 크기의 작은 연료 캡슐을 만드는 기법이다. 이중수소와 삼중수소라고 하는 중수소로 구성된 이 연료는 결국 가열되고 응축되어 플라스마를 형성하고, 수소 핵은 서로 충돌하여 융합되며 에너지를 방출한다.

관성 가둠 핵융합이 순 에너지 이득을 생산한 첫 번째 핵융합 기법이기는 하지만, 앞으로의 핵융합 기술 상용화를 보장하는 것은 아니다. 많은 핵융합 과학자들은 도넛 모양의 핵융합 원자로인 토카막(tokamak)을 사용하는 자기장 가둠 핵융합(magnetic confinement)이 더 나은 방법이라고 생각한다. 토카막을 비롯해 자기장 가둠 핵융합에서 사용하는 다른 핵융합 원자로들은 레이저가 아닌 자기장을 사용해 연료를 보관하고, 전류와 전파를 사용해 핵융합에 필요한 가열 상태에 도달한다.

기술적인 접근법이 다르기 때문에 관성 가둠 핵융합 실험에서 얻은 순 에너지 이득이 토카막과 같은 다른 핵융합 에너지 접근법에 그대로 적용되지는 않는다. 두 접근법 모두 융합에 필요한 연료를 얻기 위해 충분히 가열된 플라마스마를 형성하는 것은 동일하지만 이것을 실현하는 물리학적, 공학적 방법이 다르다고 화이트는 설명한다.

코먼웰스 퓨전(Commonwealth Fusion)을 비롯해 자금에 여유가 있는 일부 스타트업들은 자기장 가둠 핵융합을 추구하는 반면, 헬리온 에너지(Helion Energy)를 비롯한 일부는 두 가지 방법을 혼합한 하이브리드 방식을, TAE 테크놀로지스(TAE Technologies)와 같은 일부는 다른 방식을 적용한다. 화이트에 따르면 모든 기업들이 결국 순 에너지 이득을 달성할 것이라고 주장하고 있다. 이것이 곧 핵융합을 사용한 실용적인 발전 시스템으로 가는 첫 번째 단계이기 때문이다. 

순 에너지 이득 달성은 수십 년 동안 성과를 추구해 온 에너지 업계에는 엄청난 행운과도 같다. “지금이 아주 중요한 순간이다.” TAE 테크놀로지의 CEO 마이클 빈 더 바우어(Michl Binderbauer)는 핵융합 접근법별로 공학 기술은 다르지만 지금 이 순간은 핵융합 발전이 아직 가장 기본적인 수준에서조차도 실용성이 있음을 시사하는 증거라고 설명한다.

화이트에 따르면, 순 에너지 이득을 달성한 이후의 단계는 공급된 에너지에 비해 훨씬 더 많은 양의 에너지를 생산하는 것이다. 이는 관성 봉입 핵융합에 특히 중요하다. 레이저가 그다지 효율적인 수단이 아니어서 핵융합 원자로에 공급하는 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 전력망에서 사용하기 때문이다. 그래서 핵융합 원자로 내부에서는 순 에너지 이득을 달성했지만 실제로 3.15메가 줄(MJ)의 에너지를 생산하기 위해서는 전력망에서 약 300메가 줄(MJ)의 에너지를 사용해야 했다. 

발표 후에 있었던 기자 회견에서 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 책임자 킴 부딜(Kim Budil)은 NIF의 레이저가 고안된 후 더 효율적인 레이저 기술이 개발되었고, 연구원들은 핵반응에서 소량이 아닌 수백 메가줄(MJ)의 에너지를 생산하는 것이 가능할 것으로 본다고 설명했다.

상당한 양의 에너지를 안정적으로 반복적으로 생산할 수 있는 핵융합 원자로를 건설하는 것은 간단한 일이 아니다. 또한 앞으로 핵융합 에너지가 실제로 상용화되기 위해서는 획기적인 기술 개발의 발표가 여러 차례나 있어야만 할 것이다.

하지만 국립연구소의 비실용적인 핵융합 원자로에서나마 순 에너지 이득을 달성한다는 것은 핵융합에서 이정표적인 성과이다. 부딜이 기자 회견에서 말한 바와 같이 “이번 사례는 가능성을 보여주는 증거이다.”

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