핵융합 기술 발전...무한에너지는 가능할 것인가

미국 에너지부(DOE) 프린스턴 플라스마 물리연구소(PPPL) 연구진이 핵융합 기술 분야에서 획기적인 발전을 이뤄내며 무한한 에너지를 현실에 활용하는 것이 목표라고 발표했다.

태양과 다른 별들을 움직이는 에너지인 핵융합은 플라스마라고 불리는 뜨겁고 대전된 입자를 만들기 위해 광원소를 병합하여 엄청난 양의 에너지를 생산한다.
프린스턴 플라스마 물리학 연구소(PPPL)는 도넛 모양의 핵융합 시설인 토카막(Tokamaks)에 대한 보다 효과적인 설계를 할 수 있다는 것을 발견했다. 도넛 모양의 핵융합 시설은 핵융합을 만들기 위해 하전 입자를 사용한다.

PPPL 물리학자이자 연구원 중 한 명인 나다니엘 페라로는 “저항성은 전기의 흐름을 억제하는 모든 물질의 특성이다.”라며, “유체를 통해 움직이는 것을 억제한다.”고 말했다.

최근의 연구에 따르면, 저항률은 또한 온도와 압력을 극적으로 상승시키는 플라스마 가장자리를 불안정하게 만들 수 있다.
연구자들은 플라스마가 어떻게 행동할지를 예측하는 모델에 저항률을 통합함으로써 보다 안정적인 핵융합 시설 시스템을 만들 수 있다.

핵융합은 에너지원의 ‘성배’로 여겨지며, 과학자들은 핵융합이 에너지를 활용할 수 있는 메커니즘을 이해하기 위해 열심히 노력해 왔다.


지난 5월 11일, ITER프로젝트(국제핵융합로를 건설하는 프로젝트)는 주요 조립 이정표를 달성했다. ITER 플라즈마 챔버의 첫 번째 부분이 툴링에서 분리되고 기계 웰로 내려가는 데 성공한 것이다.
안드레아스 클라이너는 "이 지식을 활용해 특정 플라스마 특성을 꽂을 수 있는 모델을 개발하고, 실제 실험을 하기 전에 플라스마가 안정될지 예측하고 싶다. 기본적으로, 우리는 이 연구에서 저항성이 중요하다는 것을 보았고, 우리의 모델들은 그것을 보여줘야 한다"고 밝혔다.

연구진은 시간이 지남에 따라 내부 토카막 부품이 마모될 수 있는 에지 국소화 모드(ELM)와 플라즈마 분출을 방지하고 플라즈마 안정화를 위해 부품을 더 자주 교체해야 한다.

이것은 미래의 발전된 핵융합로를 몇 달 동안 수리할 필요 없이 가동하는 것을 가능하게 할 것이다. 많은 나라들 또한 이 분야에서 발전하기 위해 공동의 노력을 기울이고 있다.

이번 연구의 선두에는 지금까지 건설된 종류의 장치 중 가장 크고 핵융합의 상징이 될 국제핵융합로가 있다.

ITER는 주로 중국, 미국, 유럽 연합, 러시아, 인도, 일본, 한국의 7개 회원국에 의해 운영되며, 지난 2월, 영국 연구원들은 토카막이라고 불리는 거대한 도넛 모양의 기계에서 5초 동안 59 메가줄의 핵융합 에너지를 생산하고 유지했다고 발표했다.

그러나 토카막은 하루에 한 집에 전력을 공급할 수 있는 충분한 에너지를 거의 생산하지 못했고, 토카막이 생산한 것보다 더 많은 에너지를 사용했다. 하지만 지구상에서 핵융합이 지속적으로 일어날 수 있다는 것을 증명하는 놀라운 순간이었다.


중국은 핵융합 기술 분야에서도 상당한 약진을 이뤘다. 2020년 12월, 베이징은 ‘인공 태양’ 핵융합로를 처음으로 효과적으로 충전했다.

이것은 중국의 독자적인 설계와 핵융합로의 건설에 강력한 기초를 제공했다. 이 성과는 ‘2020년 중국 과학기술 진보 10대 뉴스’ 중 하나로 선정되었다.

2021년 5월 시진핑 중국 국가주석이 중국과학원·중국공학원 회원 총회에서 이를 추천했으며, 2021년 12월 중국과학원 허페이(CAS) 물리과학원은 '중국 인공태양'으로 알려진 첨단 초전도 토카막(EAST)을 위한 새로운 실험을 시작했다고 관영 언론이 보도했다.

2022년 5월 중국 연구팀이 전력계통에 지장을 주지 않고 핵융합 에너지를 전기로 전환할 수 있는 발전소를 세계 최초로 개발했다고 주장했다.
베이징은 2050년경 상업용 핵융합 발전 생산을 시작할 것으로 예상하고 있다. 그러나 핵융합 발전소는 현재의 에너지 인프라를 보호하기 위해 완충지대가 필요해 보인다.

중국의 목표가 지나치게 야심적으로 보일지라도, 만약 중국 연구원들이 그들의 약속을 이행할 수 있다면 그것은 완전한 판도를 바꿀 수 있다.
핵융합 에너지의 상업화는 엄청난 에너지를 필요로 하는 중국과 같은 국가에게 매우 유익하게 작용할 것이다.


김진영 글로벌이코노믹 기자