핵융합으로 원자력의 두 번째 봄이 오고 있다?

후쿠시마 원전 사고 이후 원자력에 대한 평판이 매우 나빠졌다. 원자력 에너지에는 핵분열 외에도 ‘깨끗한’ 형태의 핵융합 에너지가 있다. 따라서 에너지 전환의 관점에서 핵융합이 더 가치가 있다고 할 수 있다.

게리 훅(Gary Huck)

핵심 내용

  • 민간 기업과 국제 연구 그룹이 핵융합을 연구하고 있다.
  • 가장 큰 문제는 재료 속성과 스케일링이다.
  • 핵융합 상용화를 위한 시간 프레임은 수십 년으로 설정하여야 한다.

1952년 11월 1일 에니위톡 환초의 무인도에서 최초의 수소폭탄 실험이 있었다. 수소폭탄은 핵융합을 통해 많은 양의 에너지를 방출할 수 있음을 증명했다. 이후 과학자들은 민간 응용 분야를 연구하여 절반의 성공을 거두었다. 필자는 독일의 대형 전자 회사에서 은퇴할 때까지 개발 엔지니어로 일했던 할아버지가 했던 말을 기억한다. “핵융합은 상용화하기까지 20년이란 시간이 걸렸고, 시간이 흘렀는데도 그 20년은 항상 그대로였단다.”

일부 사람들에게는 핵융합이 에너지 기술에서 끝내 구현하기 어려운 과제로 보일 수 있다. 2020년 말, 9년째 연기되어 온 베를린 신공항이 마침내 운항을 시작했다. 에너지 전환이란 문제가 직면해 있기 때문에 핵융합에도 기회가 주어져야 할 것이다. 이에 대처하기 위해, 시도조차 하지 않으면 안 되며, 적어도 많은 것에 대해 열려 있어야 한다.

Tokamak Energy 원자로 내부.

캐나다 회사인 General Fusion은 핵융합 문제에 대해 낙관적이다. 그들은 핵융합이 빠르면 2030년대에 에너지 전환에 큰 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대하고 있다. General Fusion 최고 사업 개발 책임자인 제이 브리스터의 설명이다. “2025년에 테스트 플랜트를 가동할 예정이며, 2030년대 초에 상업 발전소를 건설하는 것이 목표입니다.”

영국에 기반을 둔 Tokamak Energy도 핵융합을 중심에 두고 있다. 그들도 여전히 ​​20년 목표를 염두에 두고 있으며, 2040년대에는 핵융합 에너지가 대규모로 사용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. “이제 민간 기업에 대한 투자와 연구를 위한 정부 자금 지원이 필요합니다. 이러한 투자가 신속하게 이루어진다면, 20년 안에 핵융합 에너지 상용화라는 목표를 달성할 수 있을 것입니다.”(데이비드 킹맨, Tokamak Energy 부사장)

기업이 연구 기관보다 낙관적이다

연구 기관도 낙관적으로 보고 있다. 하지만 시간의 개념은 다르다. Iter 프로젝트를 예로 들어 보자. 이 프로젝트는 프랑스 남부에서 수십억 달러가 투자되는 다국적 융합 연구 프로젝트이다. 건설은 2025년 완료를 목표로 하고 있다. 이후 원자로에서 실험을 시작할 수 있으며, 결과가 얼마나 빨리 나올지는 두고 봐야 한다.

뮌헨 공과 대학의 토마스 하마허 교수는 2035년 즈음에야 핵융합이 에너지 공급에서 유효한 개념인지를 확인할 수 있을 것으로 예상한다. 그렇다면 그때까지는 여전히 전기를 생산하지 않는 것인가? 이것은 그 자체만으로 또 한 번의 도전이다.

핵융합으로 단순히 전기를 생산하는 것은 문제가 되지 않는다. 원리는 원자력의 원리와 유사하기 때문이다. 핵융합으로 열이 발생하면 이 열을 증기로 변환하고 이 증기가 터빈을 구동한다. 이때 핵반응을 일으키기 위해서는 처음에 사용한 것보다 더 많은 전기가 생성해야 한다. Iter 원자로에서는 투입해야 하는 것보다 10배나 많은 에너지가 생성된다고 한다. 하지만 에너지는 전기가 아닙니다. 과학 잡지 ‘Spektrum’에 따르면 ‘실제’ 핵융합 발전소는 약 40배의 에너지를 생성한다고 한다. 또 그렇게 되어야만 가치가 있는 것이다.

Iter 프로젝트는 수년 내에 완료될 수 없을 것으로 보이며, 플랜트 크기가 가히 짐작이 된다.

재료 속성이 핵심이다

그런데 문제가 있다. 하나는 반응기 중앙에 위치한 전기 전도성 가스인 플라즈마이다. 지금까지 핵융합을 위해 1억 도까지 가열해야 하는 플라즈마는 몇 초 만에 안정화될 수 있었다. 이 시간은 상용 전원 공급을 위해서는 크게 증가해야 한다. 또 다른 문제는 재료 속성이다. 재료 속성은 이중으로 중요하다. 가능한 적은 손실로 필요한 양의 에너지를 전송하기 위해 초전도체를 사용하며, 대부분의 초전도체는 매우 낮은 온도에서만 특별한 특성을 띤다. 그들 가운데 일부는 섭씨 -273도의 절대 영점에 가까운 온도로 보관해야 한다. 하지만 연구 프로젝트의 일환으로 상온에서 작동하는 고온 초전도체가 이미 개발되었으며, 이 기술은 계속 ​​확장되어야 한다.

또 다른 문제는 원자로 벽이 노출되는 극한의 중성자 부하이다. 기존 재료는 이러한 부하를 견디지 못한다. 따라서 재료 연구도 필요하다. 이 모든 것이 가까운 미래에 상업적 핵융합은 불가능하다는 말로 들릴 수 있지만, 그렇다고 해서 이를 버려서는 안 되고 현실적으로 바라봐야 한다. 사실 우리에게는 지속 가능한 에너지가 필요하고, 추세는 더 많은 전기화를 향해 나아가고 있다. 방사성 폐기물이나 CO2 톤을 생성하지 않는 거의 무한대로 확장 가능한 에너지원은 특히 대도시 지역에 이상적이다.

원자핵이 쪼개지는 원자로의 경우와 달리 핵융합은 원자핵이 결합한다. 수소 핵의 융합은 헬륨과 중성자뿐만 아니라 많은 에너지를 생성하지만, 핵반응 중에는 방사성 부산물이 방출되지 않는다. 따라서 핵융합은 바람이나 태양과 같은 기존의 재생 가능 자원과 더불어, 대안 연구에 해를 끼치지 않는다. 에너지 생성을 위해 ‘보다 우아한’ 솔루션을 갖는 것이 실용적이기 때문이다. “핵융합이 성공적으로 작동한다면 아름다운 풍경을 해치며 수많은 풍력 발전소를 세울 필요가 있을까요? 핵융합은 자연에 더 많은 공간을 제공하는 것이라 할 수 있습니다.”(토마스 하마허)

핵융합은 기후의 구원자가 아니다

하지만 핵융합 발전이 빠르게 진행되지는 않을 것이다. 앞으로도 수십 년을 지켜봐야 한다. “핵융합은 산업계가 극도로 빠르게 행동하지 않는 한 기후의 구원자가 되지 못할 것입니다. 하지만 장기적으로는 실제로 무언가를 달성할 수 있을 것입니다. 2050년에 전기를 생산하는 시연 원자로가 탄생할 수 있으며, 2100년이 되면 핵융합 발전소 이상도 있을 수 있습니다.”(토마스 하마허) 앞에서 언급한 베를린 신공항과 마찬가지로 여기에서도 인내가 필요하다. 핵융합 연구 개발에 계속 투자하는 것이 가치 있는 일인지는 스스로 결정해야 한다. 하지만 전반적으로 많은 에너지 문제를 해결할 수 있는 기술을 추구하는 것은 합리적이고 바람직하다.