미래의 기술이라 불리던 핵융합발전이 실현되기 위해 넘어야 할 과제는?

미래의 기술이라 불리던 핵융합발전이 실현되기 위해 넘어야 할 과제는?

미래 기술 중 하나인 핵융합 발전은 '실현이 어렵다'고 생각했지만, 기술의 진보와 함께 현실화되고 있다. 2019년 현재 연구자들이 직면한 핵융합 발전 상업화를 위한 과제는 무엇인지 Commonwealth Fusion Systems(CFS)의 과학자인 Alex Creely와 MIT 플라스마 사이언스 앤드 퓨전 센터(PSFC)의 Erica Salazar가 설명하는 내용이다. 

매사추세츠공과대학(MIT)은 안전하고 깨끗한 에너지를 창출하기 위해 핵융합 발전연구를 계속하는 기관이었지만 2016년 정부자금지원이 중단된 것으로 보도됐다. 원조 중단으로 핵융합발전의 상업화 길이 막힌 듯했지만 이후 민간기업인 CFS와 협력해 연구를 계속하게 되었다. Creely와 Salazar는 2019년에 핵융합 발전의 실용화를 목표로 실험을 계속하고 있다. 

핵융합은 태양 내부에서 일어나고 있는 현상으로, 지구상에서의 재현이 매우 어려운 것으로 알려져 왔다. 핵융합이 일어나기 전에는 핵융합연료를 구성하는 원자핵이 전자적 반발을 일으킬 필요가 있기 때문에 원자끼리 물리적으로 접근해야 한다. 이를 위해서는 핵융합연료가 2억 켈빈까지 가열돼야 하는데, 이 온도에서는 모든 물질이 플라즈마화돼 전자나 핵이 분리돼 뿔뿔이 흩어져 움직이게 된다. 핵융합발전의 기술적 과제 중 하나는 여기에 있었다. 

하지만 신세대 초전도 소재가 등장하는 등 기술의 진보와 함께 점차 위의 과제는 극복되고 있다. 실현이 어려운 것으로 알려진 핵융합 발전이지만 과학자의 기술개발로 기후변화에 영향을 미치는 규모의 핵융합 시설을 만들어 낼 수도 있다고 한다. 민간기업의 대부분이 핵융합 발전에 흥미를 나타내고 있고, 거액의 자금 제공이 이루어진 것도 기술을 진보시킨 큰 이유 중 하나가 되고 있다. 

실제로, MIT와 CFS는 민간으로부터의 자금 제공을 모집한 결과, SPARC라고 하는 핵융합 장치의 설계·구축을 하는 데 성공했다. 

핵융합 발전을 실현하기 위해 다양한 기술이 개발되고 있지만, 가장 유망하다고 여겨지는 것이 '토카막형(Tokamak )은 고온핵융합로를 위한 기술의 하나로 초고온의 플라즈마를 두는 자기장 가두기 방식의 하나)' 의 자기장 가두기 방식이다. 토카막형은 강력한 전자석으로 강한 자기장을 만들어내고 플라즈마는 도넛형 진공용기 내에 격리한다. 그 후 플라즈마는 라디오파 등을 사용하여 가열한다. SPARC는 이 토카막형을 진화시킨 것으로 알려져 있다. 

토카막형 과제는 충분한 에너지를 얻기 위해 머신을 키울 필요가 있으며 매우 비싸진다는 것이다. 국제 열핵융합실험로(ITER)가 2019년 현재 프랑스에 건설하려고 하는데, 비용은 수 백억달러 규모에 이르고 있다. 예산이 문제나 파트너사들이 일정을 늦춘 결과 이 핵융합로가 최대 퍼포먼스를 발휘할 수 있는 것은 2035년 전후로 예상되고 있다. 

이 외에도, 유럽 토러스공동연구시설(JET)등도 상기와는 별도로 핵융합 시설을 구축하고 있다. 

SPARC나 ITER, JET 같은 토카막형 핵융합 시설을 구별하는 기준 중 하나가 새로운 유형의 고온 초전도인 이트륨계 초전도체(YBCO) 사용 여부에 있다고 한다. YBCO로 만들어진 통전 테이프는 높은 자기장을 유지할 수 있다. 높은 자기장은 플라즈마의 단열성을 향상시켜 기존의 토카막형보다 성능을 높일 수 있기 때문에 YBCO야말로 핵융합을 가능하게 하는 기술이라고 연구자들은 생각하고 있다고 한다. 

고온 초전도체는 플랜트의 규모를 축소하고 자본비용을 절감하며 동작온도를 높임으로써 핵융합발전소에 이익을 가져다주지만 위험이나 과제가 없는 것은 아니다. 높은 자기장으로 인한 기계에 대한 스트레스와 열에 의한 부하, 고온 초전도 코일의 제조 및 동작에 있어서의 불확실성 등이 과제로 꼽히고 있다. 이러한 위험을 줄이고 자기시스템 디자인을 검증하기 위해 SPARC에서는 수년에 걸쳐 풀스케일의 프로토타입을 만들어 테스트할 예정이라는 것이다. 특히 급랭시스템 구축이나 갑자기 초전도성이 상실되었을 때의 대처에 주력할 예정이다. 

핵융합 발전의 기술개발에 있어서, 문제해결을 위한 아이디어나 이노베이션이 생겨날 여지는 충분히 존재한다. "기술과제에서 있어 장벽을 제거하기 위한 혁신적 아이디어를 창출하기 위한 열정은 핵융합이 무한한 청정에너지를 창출하기 위해 필요로 하는 것이다"라고 연구진은 말했다. 

Ammercial path to fusion – Physics World
https://physicsworld.com/a/a-commercial-path-to-fusion/

A commercial path to fusion – Physics World