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202104.21

핵융합에너지 시대 준비하는 지구촌 핵융합 레이스의 승자는?

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1272


지구촌이 동시다발적으로 발생한 산불과 가뭄, 장마와 태풍 피해로 몸살을 앓고 있습니다. 2020년 여름 캘리포니아에서 발생한 초대형 산불은 우리나라 면적의 1/5이 넘는 지역을 태웠습니다. 같은 시기 지구 반대편에는 물 폭탄이 쏟아졌습니다. 한반도는 54일간 지속된 장마에 피해가 속출했으며, 인도네시아 자카르타는 해수면 상승으로 2050년까지 도시의 절반이 물에 잠길 것이란 암울한 예측입니다. 지구가 인류에게 보내는 SOS, 기후변화! ‘탄소 중립’의 골든타임을 지키기 위해 선진국들이 핵융합에너지 연구에 보다 속도를 내고 있습니다.



“탄소중립은 거스를 수 없는 국제질서입니다”


심각해지는 기후 위기 앞에서 세계 120개국이 ‘탄소중립’을 선언하며 화석연료를 대체할 미래청정에너지 개발에 나섰습니다. 자국민의 일자리 보호를 구실로 파리기후협정을 탈퇴했던 미국 역시 지난 1월 바이든 정부가 출범하며 파리협약 복귀 및 2050년 넷제로(net zero, 탄소중립)’를 목표로 제시했습니다. 유럽은 이보다 앞서 2019년 12월 ‘그린 딜’을 발표하며, EU가 2050년 세계 최초의 탄소중립 대륙이 될 것임을 선포했습니다. 우리나라와 일본 역시 2050년까지 탄소중립 달성을 선언했고, 중국도 2060년 이전까지 탄소중립 실현을 약속했습니다. 


탄소중립은 인간 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 흡수, 제거해서 이산화탄소의 실질적인 배출량이 0(Zero)이 되도록 하는 개념입니다. 탄소중립을 실현하기 위해서는 미래에너지원 개발 및 산업과 경제 구조의 개편 등 우리 사회 전반에서 총체적 변화가 요구됩니다. 하지만 인류의 발전을 지속하고 산업 경쟁력을 유지하는데 필요한 전력을 안정적으로 공급할 대안이 마련되지 않으면 ‘탄소중립’은 신기루에 불과합니다.



“화석연료의 빈자리 ‘핵융합’이 채우겠습니다” 


화석연료를 대체할 미래에너지는 탄소를 배출하지 않고, 자원이 무한하며, 대용량 발전이 가능해야 합니다. 이 같은 기준에서 볼 때 원자력 에너지는 폐기물 측면에서, 풍력과 태양열, 지열 등 재생에너지는 대용량 에너지의 안정적 공급 측면에서 한계가 있습니다. ‘핵융합’은 세 가지 조건에는 부합하지만 아직 기술적 완성을 이루지 못했습니다. 


태양은 초고온에서 수소 원자가 융합해 헬륨을 만들 때 엄청난 에너지를 쏟아내는데요. 1초에 내뿜는 에너지가 전 인류가 소비하는 연간 에너지보다 7000배나 많습니다. 과학자들은 태양의 핵융합 과정을 모사해 지구의 ‘인공태양’을 만들었습니다. 원료인 중수소는 무한에 가깝고, 다른 에너지원보다 상대적으로 온실가스와 방사능 문제에서도 자유롭습니다. 문제는 태양보다 중력이 약한 지구에서 핵융합 반응을 실현하기 어렵다는 데 있습니다. 


핵융합에너지는 1950년대부터 연구되었지만, 거대한 시설과 장비, 인력과 예산이 필요하기에 개발 속도가 더뎠습니다. 하지만 기후변화가 불러온 에너지 패러다임 전환 요구가 핵융합 개발 속도를 높이고 있습니다. 더불어 지난 20여 년간 기계, 소재, SW 등 과학기술이 수준 높게 발전하며 핵융합은 기초연구 단계를 넘어 공학적 개발단계로 진입했습니다. 이에 핵융합 선도국들은 국제핵융합로 ITER를 통한 공동의 목표 실현을 도모하는 동시에 머지않아 도래할 핵융합에너지 시대의 패권을 잡기 위한 경쟁도 시작했습니다. 따로 또 같이, 핵융합 실증과 상용화를 향해 달려가는 핵융합 주요국들의 레이스를 소개합니다. 



“한국, KSTAR 2025년 고성능 초고온 플라즈마 300초 운전 도전해요”


먼저 한국입니다. 한국은 이산화탄소 배출량이 세계 9위(2019년 기준)로 탄소중립의 책임이 무겁습니다. 우리 정부는 지난해 10월 탄소중립을 위한 3대 정책 방향으로 ‘경제구조의 저탄소화’, ‘신유망 저탄소산업 생태계 조성’, ‘탄소중립 사회로의 공정전환’을 제시한 바 있습니다. 국토가 좁고 산지가 많은 우리나라는 장기적이고 지속적인 탄소중립을 유지하기 위해 재생에너지뿐만 아니라 핵융합에너지를 반드시 고려해야 하는 상황인데요. 


향후 안정적인 핵융합 연구개발을 위한 전문 연구기관의 필요성이 지속적으로 대두되며, 지난해 국가핵융합연구소를 한국핵융합에너지연구원으로 승격하는 등 핵융합에너지 개발 의지를 높이기도 하였습니다. 


우리나라의 초전도핵융합연구장치 KSTAR의 우수 성과 창출도 계속되고 있는데요. 2018년 1억도 초고온 플라즈마 1.5초 운전에 성공한 이래 2019년 8초, 2020년 20초 연속 운전에 성공하며 세계 핵융합 역사를 새롭게 쓰고 있습니다. 연속운전 300초 달성을 목표로 주도적인 핵융합 연구를 이어간다는 포부입니다.


또한, 우리나라는 핵융합 실증로 연구를 위해 핵융합 실증로 개념 및 기반 핵심기술 개발을 위한 기초 선행연구에 돌입하였으며, 고성능 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이터 및 운전 시나리오 개발 등도 매진할 예정입니다. 


조 바이든 미국 대통령


“미국, 20개 이상의 스타트업이 핵융합 상용화에 도전합니다”


산학협력 중심의 미국 핵융합에너지 개발 전략이 국제사회에서 주목받고 있습니다. 미국은  트럼프 정부 시절에도 과학단체와 민간을 중심으로 꾸준히 핵융합에너지 개발을 추진했습니다. 미국 과학공학의학한림원(NASEM)은 2018년 소형 핵융합 파일럿 발전소 건설을 제안했고, 2019년 미국의 에너지첨단연구프로젝트사무국(ARPA-E)은 저렴하고 상업적으로 실행 가능한 핵융합을 개발해 에너지 기술 분야에서 미국의 리더십을 확보하고자 핵융합에너지 혁신 프로그램 ‘BETHE’에 3,000만 달러를 지원한다고 발표했습니다. 


실리콘밸리 큰 손들의 투자에 힘입어 핵융합 스타트업의 활약이 더욱 활발해지고 있다는 점도 큰 특징인데요. 아마존의 창업자이자 CEO로 전 세계 부자 1위인 제프 베조스는 2011년부터 캐나다 벤쿠버에 있는 ‘제너럴 퓨전(General Fusion)’에 투자를 시작했습니다. 지난 한 해 동안만 약 2억 달러(한화 약 2,200억원)를 투자했죠. 


제프 베조스와 부자 순위를 다투는 마이크로소프트사의 창업자 빌 게이츠 역시 핵융합에 투자를 아끼지 않습니다. 그가 BEV(Breakthrough Energy Ventures)라는 에너지 관련 투자 펀드를 설립하여 투자하는 기업 중 하나는 ‘커먼웰스 퓨전 시스템즈(CFS)’이라는 핵융합 스타트업입니다. CFS는 소형 핵융합 발전소를 짓는 것을 목표로 하고 있죠. 이처럼 미국에는 2018년 기준 20개 이상의 스타트업이 활동 중이며, 누적투자금액도 1조원 이상으로 추정됩니다. 


미국은 1951년 스텔러레이터(Stellarator) 형식의 핵융합로를 개발할 정도로 앞선 장치기술을 보유했지만, 이후 많은 투자가 필요한 신규 장치 건설보다 기존 핵융합 장치 운영 효율화에 자원을 집중했습니다. 또 핵융합장치 DⅢ-D를 통해 핵융합 시뮬레이션 기술을 활용한 최신 핵융합 물리연구 및 기술개발을 활발히 추진 중이죠. 


더불어 한국의 KSTAR, 중국 EAST 등 해외 핵융합 장치를 활용하는 국제협력을 적극 추진하며 자국 내에서는 재료 및 시뮬레이션 분야의 원천기술 연구로 ITER를 주도하는 전략을 구사하고 있습니다. 



"유럽연합, ‘그린 딜’ 통해 ‘2050년 탄소중립’ 목표 접근한다" 


2019년 12월 EU는 이산화탄소의 실질적인 배출량을 0으로 만드는 그린딜을 선언했습니다. 2050년까지 완전 실행이 목표인데요. 올해 유럽의 핵융합 연구 분야에서 많은 관심을 모으는 소식은 유럽 공동핵융합실험장치 JET의 실험입니다. JET는 세계 유일의 중수소-삼중수소 실험 운전이 가능한 장치로 ITER의 운전에 대비하여 올해 중수소-삼중수소 실험을 추진할 계획입니다.


영국 옥스퍼드 컬햄(Culham)에 위치한 JET는 현존하는 세계 최대 규모의 핵융합 연구장치로 1983년 6월 첫 플라즈마 발생을 시작했는데요. EU 집행이사회와 영국원자력청의 계약에 따라 컬햄핵융합연구센터(CCFE)가 운영하고 있습니다. 당초 2020년까지만 운영이 계획되었는데 ITER에서 사용할 핵융합 연료와 재처리 원격로봇 운전기술 등을 개발하기 위해 2025년까지 연장되었습니다. 


또한 유럽 각국에서 추진하는 핵융합 시뮬레이션 프로그램과 별개로, EU 차원에서 보다 통합적으로 핵융합 시뮬레이션 연구 개발을 추진하기 위해 E-TASC(EUROfusion Theory and Advanced Simulation Coordination) 프로그램도 추진하고 있습니다. 2019년부터 시범사업 성격으로 진행되던 E-TAS는 올해부터 2025년까지 총 19개 프로젝트에 총 5,980만 유로(한화 약 806억원)를 투자합니다.


영국 핵융합연구기관 CCFE를 방문한 보리스 존슨 영국 총리


“영국, 세계 첫 핵융합발전소 건설 계획을 수립하다”


에너지 패러다임 전환을 향한 영국의 도전은 유럽에서도 가장 급진적입니다. 영국은 10년 전 자국 전력의 약 40%를 담당하던 석탄 화력발전소를 2025년까지 전폐한다는 목표를 세우고 짧게는 수일에서 길게는 몇달씩 화력발전을 멈추고도 전력 수요를 감당하는 다양한 실험을 진행했습니다. 비록 제한된 기간이었지만 영국의 의지를 알리기에 충분했습니다. 


영국은 지난해 11월 <녹색 산업혁명을 위한 중점계획>을 통해 2040년 세계 최초 핵융합에너지 상용화기술을 확보하겠다는 계획을 밝혔습니다. 100MW 이상의 전력을 생산하는 세계 최초의 핵융합 실증로 ‘STEP’을 2040년까지 완공하기 위해 건설 부지를 물색 중입니다. 영국 정부는 2024년까지 총 4년간 2억2000만 파운드(한화 약 3,348억원)을 투자할 방침입니다.


또한 국가핵융합기술플랫폼(NFTP)이 2022년 완공을 목표로 건설되고 있습니다. NFTP는 핵융합에너지 상용화를 위해 필요한 필수 기술 중 핵융합 재료 연구시설(FTF)과 삼중수소 저장시스템을 비롯한 핵융합 연료주기 연구를 위한 시설(H3AT)로 구성되어 있는데요. 이처럼 핵융합 난제 해결 등을 위한 핵융합 연구시설 구축을 위한 투자도 확대하는 모습을 통해 핵융합에너지는 선택이 아닌 필수라는 영국 정부의 강력한 의지를 확인할 수 있습니다. 



“중국, 2020년대 ‘CFETR’ 완공 목표로 공격적 투자지속해요”


중국은 세계의 공장으로 불리는 만큼 안정적인 에너지 수급은 무엇보다 중요한 국가 정책인데요. 미래의 에너지원 확보를 위해 인공태양 기술 개발 뿐 아니라 인력양성에도 많은 노력을 기울이고 있습니다. 


중국은 2020년대에 새로운 토카막 장치인 CFETR(China Fusion Engineering Testing Rector)을 완공하고, 2030년대 운영 착수를 목표로 공격적인 투자를 이어가고 있습니다. CFETR 건설 지원을 위한 통합 연구시설 CRAFT(Comprehensive Research Facility for Fusion Technology, 2004 완공) 건설에만 총 60억 위안(한화 약 1조)을 투자할 정도로 중국의 핵융합에너지에 대한 열정은 대단한데요. 이미 CFETR의 개념설계를 지난 2017년 완료하였으며, CFETR의 운영을 통해 향후 핵융합 발전소 건설을 위한 과학기술적 기반을 모두 마련한다는 계획입니다. 


한편 중국의 초전도 토카막 EAST는 2017년 7월 5000만℃의 초고온 플라스마 상태를 101.2초간 유지한 바 있고, 2018년 11월 1억℃ 전자 온도 달성에 성공하기도 했습니다. 


일본의 초전도핵융합연구장치 JT-60SA


“일본, 2000년대 중반까지 핵융합에너지 상용화 목표로 뛴다”


일본은 지난 2020년 12월 <2050년 탄소중립에 따른 녹색성장 세부전략>을 발표하며 2000년대 중반까지 핵융합에너지 상용화를 목표로 ITER 및 핵융합 연구개발의 지속적 추진을 계획하고 있습니다. 또한 일본은 EU와 BA(Broader Approach)활동을 통해 초전도 토카막 JT-60SA를 2020년 3월 조립 완료하였는데요. 2021년 상반기 최초 플라즈마(First Plasma) 발생을 목표로 시운전 중입니다.



"ITER, 2025년 완공으로 핵융합에너지 실증 기반 마련한다"


2020년 7월 28일 마크롱 프랑스 대통령과 유럽연합 국가 및 중국, 인도, 일본, 한국, 러시아, 미국의 지도자들은 화상 회의로 만나서 새로운 에너지 시대의 시작을 선언했습니다. 바로 국제핵융합실험로(ITER)가 장치의 조립 시작을 알리는 역사적인 순간이었습니다. 


ITER는 우리나라를 비롯해 미국, 러시아, 중국, 일본, 인도 등 6개국과 유럽연합(EU)이 함께 개발하는 국제핵융합실험로인데요. 완공 후 열 출력 500MW, 에너지 증폭률 10이상(Q≥10), 연소시간 300~500초 이상을 달성이 목표입니다. ITER는 탄소를 배출하지 않는 무한한 전력을 만들기 위해 태양의 복잡한 열 생성 반응을 지구에 재현하는, 세계에서 가장 야심적인 프로젝트이자 세계에서 가장 강력한 35개국의 과학자, 엔지니어 및 정치인 간 협력의 산물입니다. 


2025년 완공해 2040년까지 운영하는 글로벌 프로젝트를 통해 참여국들은 핵융합 발전소 건설을 위한 핵심원천기술을 확보하고 전문인력을 양성할 수 있습니다. ITER 건설은 2021년 2월 기준, 전체 건설 공정률이 72%를 넘어 완공이 가시권안에 들어오고 있습니다. 


지구의 SOS 기후위기. 탄소 중립 골든타임을 놓치지 않기 위해 핵융합 선도국들은 핵융합에너지가 더이상 미래에너지가 아닌, 지금 바로 우리 세대에서 실현될 수 있도록 상용화를 향한 도전에 더욱 속도를 내고 있습니다. 따라서 핵융합 개발의 과거 50년과 앞으로의 50년 개발의 속도는 차원이 다릅니다. 세계 각국의 적극적인 에너지 정책과 지원 속에 상호협력이 지속되면 핵융합 과학자들은 곧 핵융합에너지의 꿈을 현실로 이뤄낼 것입니다. 핵융합을 향한 세계의 중단 없는 도전이 인류의 미래인 무한 청정에너지로 가는 길을 환하게 비추길 기대합니다.



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