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핵융합

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202202.08

네이처가 본 핵융합의 현재와 미래

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1348

‘핵융합 에너지의 추격(The chase for fusion energy)’ 특집 게재

“마침내 상업적 실행 가능성에 접근…핵융합은 기후변화의 백신


“신흥 핵융합 기업들은 다음 10년 안에 상용 핵융합로를 만들어낼 것이라고 약속합니다

(An emerging industry of nuclear-fusion firms promises to have commercial reactors ready in the next decade).” 


핵융합 회사의 광고나 캠페인 문구가 아닙니다. 세계적 과학학술지 네이처(Nature)가 지난 11월 18일 자에 게재한 핵융합 에너지 관련 특집의 부제인데요. 이 특집 기사의 제목은 더 도발적입니다. ‘핵융합 에너지의 추격(The chase for fusion energy).’ 네이처는 핵융합 관련 민간 기업들에 투자가 확대되면서 10년 안에 상용 핵융합로를 만들겠다고 선언하는 기업들이 등장하고 있는 점에 주목합니다. 핵융합에너지 산업과 관련하여 어떤 변화가 전개되고 있기에 네이쳐가 핵융합에너지 연구 현황을 대대적으로 다룬 것일까요? 네이처 특집 기사를 중심으로 핵융합 에너지의 현재, 그리고 근(近)미래를 조명해보겠습니다.


핵융합 민간 기업에 투자 몰린다


“항상 30년 후에 가능하다고 오랫동안 조롱을 받았던 핵융합이 마침내 상업화에 다가서고 있는 것으로 보인다(Long derided as a prospect that is forever 30 years away, nuclear fusion seems finally to be approaching commercial viability).” 네이처 특집 기사는 이렇게 시작합니다. 그 근거는 민간 기업이 대거 핵융합 산업에 뛰어들고 있기 때문인데요. 핵융합 분야 기업을 대표하는 미국의 FIA(Fusion Industry Association)가 지난 10월 실시한 조사에 따르면 현재 전 세계적으로 30개 이상의 민간 핵융합 기업이 활동 중입니다. 이 가운데 18개 기업의 투자액은 총 24억 달러(약 2조 8,000억 원)에 달합니다. 이렇게 민간 투자가 늘어난 것은 전 세계적으로 고도화된 핵융합 장치 설계 기술과 이 기술을 가능케 하는 재료 개발, 컴퓨팅 기술의 발전이라고 네이처는 진단합니다.


핵융합 에너지 상용화와 관련해 최근 가장 주목을 받는 곳은 영국의 작은 도시 컬햄(Culham)입니다. 캐나다의 핵융합 발전 스타트업 ‘제너럴 퓨전(GF. General Fusion)’이 2022년 이곳에서 핵융합 실증로를 착공하기 때문인데요. 아마존 창업자 제프 베이조스가 거액을 투자한 회사이기도 하죠. 제너럴 퓨전은 2025년에 핵융합에너지를 실증하기 위한 데모 장치 건설을 완료하여 가동을 시작하고, 2030년대 초에는 상용화 할 수 있는 핵융합로를 확보하는 것을 목표로 합니다.


제너럴 퓨전이 영국 컬햄에 지을 예정인 핵융합 실증로 시설 조감도 <사진 출처=Nature>



제프 베이조스, 빌 게이츠 등 핵융합 투자 


네이처는 핵융합 에너지 분야 사업이 항공우주 분야 발전과 비슷한 궤적을 그리고 있다는 점에 주목합니다. 항공우주 산업은 전통적으로 국가가 대규모 투자를 하며 이끌어왔지만, 최근 세계적인 민간 기업이 대거 뛰어들면서 비약적인 발전을 이루어내고 있는데요. 일론 머스크의 스페이스X, 아마존 창업자 제프 베이조스의 블루 오리진(Blue Origin), 영국의 억만장자 리처드 브랜슨의 버진 갤럭틱(Virgin Galactic) 등이 대표적입니다. 핵융합 에너지 산업에도 이와 비슷한 현상이 나타나고 있다는 것이 네이처의 진단인데요. 실제 제프 베이조스를 비롯해 마이크로소프트 공동 창업자 빌 게이츠와 폴 앨런, 구글을 만든 래리 페이지와 세르게이 브린 등이 핵융합 발전에 관심을 돌리며 투자에 나서고 있습니다. 이렇게 탄생한 기업들이 제너럴 퓨전을 비롯해 TAE 테크놀로지스, 혤리온 에너지, 커먼웰스 퓨전 시스템(CFS) 등입니다.


네이처는 그러면서도 지나친 낙관에 대해 조심스러운 입장을 보이기도 했는데요. 민간 기업 관계자들과 달리 핵융합 분야 연구자들은 네이처와의 인터뷰에서 “전망이 매우 흥미롭지만, 10년 후 상업적 핵융합은 지나치게 낙관적”이라는 견해를 드러내기도 하는데요.


그러면서도 소규모 민간 차원이든, 대규모 국내외 핵융합 프로젝트든 혹은 그 두 가지 모두이든, 핵융합 상용화가 드디어 궤도에 오른 것으로 보인다는 분석을 내놓았습니다. 네이처는 영국원자력청(UKAEA)의 최고경영자 이안 챔프먼이 밝힌 “나는 그것이 일어날 것이라고 확신한다(I’m convinced that it’s going to happen)”라는 코멘트를 인용하기도 했습니다.


네이처 기사에 소개된 다양한 콘셉트의 핵융합 <사진 출처 = Nature>



핵융합의 ‘게임 체인저’ 등장하나 


네이처는 현존하는 핵융합 장치를 업그레이드하려는 민간 기업의 노력과 시도에 대해서도 주목했습니다. 항공우주 분야와 마찬가지로 민간 기업의 경쟁이 격화되면서 관련 기술의 혁신을 가져오고 도전적인 시도가 이루어지고 있는 것처럼 핵융합 분야에서도 핵융합에너지를 실현하기 위한 다양한 방식이 시도되고 있다는 것입니다.


정부 주도의 핵융합에너지 연구가 도넛 모양의 토카막 장치 안에 자기장을 이용해 플라즈마를 가두어 핵융합 반응을 일으키는 방식(Tokamak)이 핵융합에너지 실현을 위한 유력한 방법으로 추진되었다면, 민간 기업들은 자신들의 장점을 더욱 극대화 할 수 있는 좀 더 저렴하고 소규모 형태로 핵융합 반응을 일으키는 방법을 찾고 있는 것이죠.


실제로 제너럴 퓨전의 경우 ‘자화 표적 핵융합(MTF, Magnetized Target Fusion)’이라는 기술을 이용합니다. 액체 금속을 채운 챔버를 회전시켜 내부에 공간을 만들고 수백 개의 피스톤을 이용하여 압력을 조절하여 핵융합 반응을 일으키는 방식입니다. 이러한 방식이 기존의 방법보다 핵융합에너지 실현에 훨씬 유리하다는 게 제너럴 퓨전의 판단입니다.


☞General Fusion : The Fusion Demonstration Plant

https://youtu.be/rdOfW6h77ZU


또 다른 민간 핵융합 회사인 토카막 에너지(Tokamak Energy)와 커먼웰스 퓨전 시스템(Commonwealth Fusion System)과 같은 회사들은 기존의 토카막보다 더 작은 사이즈로 구형(球形) 토카막(Spherical Tokamak)을 개발하고 있습니다. 이 방식의 핵심은 더욱 강력한 자기장 형성을 위해 고온 초전도 자석(HTS, High-Temperature Superconductor) 기술을 활용한다는 것입니다. 기존의 초전도 자석이 액체 헬륨을 사용해서 초전도 자석을 임계온도 이하로 낮춰야 하는 반면, 훨씬 값싸고 활용이 쉬운 액체 질소로도 냉각할 수 있다는 점에서 “잠재적인 게임 체인저”가 될 수 있다는 전망도 나오고 있습니다.


TAE 테크놀러지스의 경우 어떤 면에서는 훨씬 더 대담한 개념을 가지고 있다는 게 네이처의 진단입니다. TAE 테크놀러지스의 장치는 모양부터 길쭉한 직선 모양을 가지고 있어 더욱 독특해 보이는데요. 원통을 감싼 솔레노이드 자석을 이용하여 플라즈마를 가두어 핵융합 반응을 일으키는 방식입니다.


☞Visualizing a Future of Fusion

https://youtu.be/EVlWUQ-UKa4



“핵융합은 기후변화의 백신입니다”


네이처 기사에 따르면 민간 기업이 건설한 핵융합로는 토카막 방식을 채택한 ITER 프로젝트보다 규모도 작고 훨씬 저렴할 것으로 내다봅니다. 토카막 에너지의 공동 설립자인 데이비드 킹험은 수십억 달러 수준 규모의 장치를 구상하고 있으며, TAE 테크놀로지의 경우 약 2억 5,000만 달러(약 2,900억 원)에 시스템을 구축할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.


하지만 예산을 축소할 수 있다는 장점만 있는 것은 아닙니다. 여전히 민간 기업의 도전이 공적 자금으로 지원되는 국제적 프로젝트에 비해 잠재적인 실패 위험이 높다는 사실을 부정할 수는 없습니다. 하지만 네이처는 전문가들의 견해를 통해 공공과 민간이 긴밀한 협력 관계를 유지한다면 오히려 시너지 효과를 보일 수 있다고 진단합니다.


그러면서 네이처는 코로나19 백신을 공공과 민간이 융합 프로젝트를 통해 이루어낸 대표적인 성과로 들었는데요. 인류가 자원만 있다면 무엇이든지 알 수 있다는 사실을 보여준 대표적인 사례가 바로 코로나19 백신 개발이라는 거죠. 네이처는 ‘백신과 마찬가지로 더 깨끗하고 탄소가 없는 에너지원이 절실하다’라고 강조하면서 이런 말을 인용하며 특집 기사를 마무리합니다.


"이것은 실존적 도전입니다. 핵융합은 기후변화의 백신입니다"

(This is an existential challenge. Fusion is the vaccine for climate change).



☞‘핵융합 에너지의 추격’ 네이처 원문 보기 

www.nature.com/immersive/d41586-021-03401-w/index.html


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