by trimaran, 2024.02.01

핵융합 발전 기술은 "순 에너지 이득"의 기술적 난제에 직면했지만, 에너지 인프라에 혁명을 일으키고 기후 변화 문제를 해결합니다.

미래 에너지원의 '성배'로 일컬어지는 핵융합은 현대 과학기술의 최전선에 서 있습니다. 이는 현재의 원자로를 구성하는 핵분열과는 다릅니다. 핵분열은 무거운 원자핵을 쪼개어 유해한 방사선과 에너지를 방출하는 반면, 핵융합은 수소와  같은 가벼운 원자핵을 합쳐서 더 무거운 원자핵을 형성하고 그 과정에서 방사선의 방출 없이 엄청난 양의 에너지를 생성합니다. 이는 태양이 스스로 에너지를 방출하는 과정과 동일하며 잠재적으로 무한한 청정 에너지원으로 활용 가능합니다.

핵융합 발전의 기술적 특수성은 양전하를 띤 원자핵 사이의 반발력을 극복하고 융합이 이루어지도록 하기 위해 극도로 높은 온도와 압력이 필요하다는 데 있습니다. 이러한 조건을 충분히 오랫동안 유지하기 위해 소비되는 것보다 더 많은 에너지가 생산되는 상태, 즉 '순 에너지 이득'으로 알려진 상태를 유지하는 것이 매우 중요하며, 

이를 위해서 자기장 가둠(tokamak), 관성가둠(Inertial fusion) 등의 기술 개발이 진행되고 있습니다.

기후 변화와 화석 연료의 한계에 대한 우려가 커지는 가운데 핵융합은 탄소중립적이고 안정적이면서 거대한 에너지를 공급할 수 있는 가능성을 제공합니다. 핵융합 기술의 개발을 통한 에너지 인프라의 혁명은 우리가 지속가능한 미래로 가는기반이 될 것입니다.

핵융합 반응을 유도하는 두 가지 주요 방법은 

접근방식과 해결해야 할 기술적 과제가 서로 

다르지만,  둘  다 핵융합 에너지 연구 발전의 

유망함을 보여줍니다.

핵융합 반응을 유도하는 두 가지 주요 방법은 자기장가둠과 관성가둠이 있습니다. 토카막 및 스텔라레이터와 같은 장치가 사용되는 자기장가둠은 강력한 자기장을 사용하여 도넛 모양의 챔버에 뜨거운 플라즈마를 가두는 방법으로, 1950년대에 구 소련 물리학자가 개발한, 핵융합 발전 기술의 선두주자입니다. 관성가둠은 고에너지 레이저나 이온빔을 작은 연료 알갱이에 집중하여 압축·가열하고 핵융합 반응을 유도하는 것으로 미국의 NIF (National Ignition Facility)와 같은 시설이 기술을 발전시키는데 중추적인 역할을 해왔습니다.

두 방법은 기술적 접근 방식, 확장성 및 직면한 과제 측면에서 크게 다릅니다. 자기장가둠 방식은 핵융합 반응을 관리하고 안정화하는데 유리하지만 지속적인 반응을 위해 초고온의 플라즈마를 안정적으로 유지하는 것이 중요합니다. 반면 관성가둠은 핵융합을 위한 초고온 환경의 도달이 비교적 용이하나 발전이 가능할만큼 지속적인

 반응을 유도하는 것은 앞으로 해결해야 할 과제입니다. 최근 두 방법 모두 기술적 진전을 보이고 있고, 연구가 진행됨에 따라 핵융합 발전의 프레임워크에서 상호보완적인 시너지 효과도 탐구되고 있습니다.

세계 각국은 각자 자국의 기술적 강점과 전략적 우선순위에 기반한 맞춤형 접근방식으로 

핵융합 에너지 개발 및 상용화를 추구하고 

있습니다. 

2007년 출범한 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트는국제협력과 과학적 진보의 상징으로 자리잡고  있습니다. 프랑스에 위치한 ITER는 EU와 미국, 중국, 일본, 러시아, 대한민국을 포함해 35개국이 참여하는,  인류 역사상 가장 큰 규모의 연구협력 프로젝트 입니다. ITER의 목표는 핵융합의 실현 가능성을 입증하는 것입니다.  2025년에 첫 플라즈마를 시작할 예정인 이 프로젝트는 2020년대 후반에 중수소-삼중수소 핵융합 반응에 도달하는 것을 목표로 하고 있으며, 이는 핵융합 연구에서 중대한 순간이 될 것입니다.

한국은 한국형초전도핵융합장치(KSTAR)의 개발·운영을 통해 최초로 플라즈마 온도 1억도 달성, 30초 연속운전 등 세계 최고수준의 토카막 기술을 선도하고 있습니다. ITER 프로젝트에 초전도 도체, 진공용기, 차폐 및 증식재, 전원공급장치 등의 핵심장치를 공급하고 있으며, 2050년대 핵융합 에너지 상용화를 위해 한국형핵융합실증로

(K-DEMO) 개발을 추진하고 있습니다.

각 국가의 접근 방식은 자국의 에너지 정책, 경제적 역량, 전략적 우선순위에 따라 결정되며, 특정 기술에 대한 집중투자 부터 광범위하고 협력적인 접근 방식에 이르기까지 국가별 미래 에너지 전략의 태피스트리를 보여줍니다. 하지만 이러한 핵융합 에너지 개발 환경의 다양성 속에서도 대체로 일치하는 경로를 확인할 수 있습니다.

ITER는 국제 협력의 전면에 서 있으며, 각국은 기술적 강점과 전략적 우선 순위에 기반한 맞춤형 접근 방식을 추구합니다. 연구개발과 국제협력의 지속적인 진전은 깨끗하고 무한한 에너지원의 실현에 더 가까이 다가가게 하며, 미래 에너지 인프라를 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다.

핵융합 기술의 발전은 데이터 기반 디지털 기술, 소재 기술의 발전과 함께 가속화되고 

있습니다. 

핵융합 에너지의 상용화를 위한 연구개발은 향후 수십년간 막대한 자원을 투자해야하는 거대 과학 프로젝트로, 기술개발 단계별 실패 위험을 최소화하고 기술적·공학적 어려움을 극복하여 성공 가능성을 담보하기 위한 방안을 마련하는 것이 중요합니다. 이러한 측면에서 최근 급성장하고 있는 4차 산업혁명 기술의 도입은 핵융합 에너지 기술과 엔지니어링 영역 모두에서 획기적인 도약을 의미합니다.

인공지능(AI)과 빅데이터 분석을 통해 플라즈마 제어 및 예측 모델링의 정밀도가 향상되어 핵융합 반응의 성능과 안정성이 최적화됩니다. 이러한 기술은 전례 없는 속도로 방대한 양의 실험 데이터를 처리할 수 있는 초고성능컴퓨팅 자원에 힘입어 정보에 기초한 효율적인 R&D 수행을 가능하게 합니다.

디지털 트윈은 핵융합로의 가상 복제본을 생성하여 물리적 실험과 관련된 위험이나 비용 없이 반응로 설계 및 작동 매개변수에 대한 실시간 시뮬레이션, 모니터링 등 테스트를 가능하게 합니다. 실제 핵융합 실험로를 건설하기 전에 잠재적인 문제와 최적화 방안을 점검함으로써 개발 주기를 단축하고 안전성 향상과 비용 절감을 동시에 이룰 수 있습니다.

핵융합로 구조물의 건설은 플라즈마의 초고온 환경, 핵융합 연료 (수소) 저항성, 고에너지 중성자의 내조사성이나 저방사 특성 등 다양한 종류의 극한의 안정성을 요구하므로 이러한 소재(저방사화강, Reduced Activation Ferritic/Mertensitic Steel)의 개발이 필수적입니다. 향후 핵융합 에너지의 실용화 단계에서는 국가간 경쟁체제로 진행될 전망되기 때문에 국가별로 독자적으로 RAFM강에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

또한, 최근의 연구발표로 다시 주목받게된 상온초전도체 분야의 발전은 극저온 냉각 없이도 강력하고 효율적인 자석을 만들어 플라즈마 가둠에 필요한 에너지 입력을 줄임으로써 더욱 간편하고 효율적인 장치를 건설할 수 있는 가능성을 열었습니다.