핵융합발전/인공태양이란? 전세계 갯수,종류 미국과 한국의 기술력 차이

인공태양과 핵융합발전 수혜주, 관련주 정리 [부제: 무한 청정 에너지의 상용화 멀지 않았다.]

지난 시간 인공태양과 핵융합발전 수혜주, 관련주 정리 [부제: 무한 청정 에너지의 상용화 멀지 않았다.] 라는 제목으로 이번 미국의 인공태양 핵융합 점화 성공 소식과 한국의 핵융합 기술인 KSTAR 인공태양 기술에 대해 잠깐 알아보았는데, 이번 미국의 핵융합 점화 기술은 사실 한국의 'KSTAR'와는 그 기술적 차이가 분명하다.


이로인해 미국의 핵융합발전 기술력이 한국을 앞지르게 되었다며, 세계적인 인공태양 관련 선두주자였던 '한국의 인공태양 KSTAR'에 대한 우려에 대한 얘기들이 나오는 것 같아서 정확한 팩트에 대한 이야기로 한국 핵융합 기술인 KSTAR 인공태양 기술에 대해 알아보고자 한다.


아마도 나와 같이 한국의 기초과학 분야에 대한 관심이 있는 사람이라면 이번 시간이 굉장히 재미있고 유익한 시간이 될 것이라 믿어 의심치 않는다. 전세계의 핵융합 기술에 대한 오해와 진실에 대해 한번 알아보자.

포스팅에 들어가기에 앞서, 오늘 글에 내용의 본질은 미국의 기술보다 한국이 기술적으로 더 좋다. 같은 개념을 설명하려는 것이 아님을 알아주었으면 한다.

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전세계에 분포되어 있는 핵융합 인공태양

이야기에 들어가기에 앞서 '전세계의 인공태양'은 얼마나 될까? 아래 링크를 통해 현재 '전세계에 분포되어 있는 핵융합 인공태양'의 국가와 조직, 장치들의 이름과 각 구성, 기기의 종류, 장치 상태, 설계의 실험과 시연, 소유권 등을 알 수 있다. 2022년을 기준으로 하여 현재 지구 위에 존재하는 인공태양의 갯수는 124개나 존재하며, 이는 현재 운영, 건설, 계획 중인 인공태양의 총 갯수를 뜻한다.

IAEA Fusion Portal

현재 가장 많은 인공태양을 가진 나라는 미국으로 33개인 상태다. 뒤를 이어 일본 24개, 러시아 13개, 중국 11개, 영국 8개, 프랑스 5개 등이며 한국은 불과 2개의 인공태양을 보유한 상태다.


애초에 인공태양 핵융합 기술은 워낙 큰 자금이 필요하며 상용화 시점도 예측하기 힘들기 때문에 우리나라를 비롯한 미국, 일본, 중국, 영국, 프랑스, 독일 등 각 국가들이 시장을 노리고 앞다퉈 막대한 돈을 투자했고 앞으로도 투자할 계획을 가지고 있지만 이제는 국가 숙원사업의 형태만이 아닌 민간 기업과 스타트업들도 대거 뛰어들기 시작했다.


구글과 쿠웨이트투자청이 투자한 미국 TAE테크놀로지스는 '코페르니쿠스(Copernicus)'라는 핵융합로를 만들고 있다. 또한 미국 헬리온 에너지는 2040년까지 전세계 발전량의 20%를 핵융합으로 대체하겠다고 호언장담하고 있고 제프 베이조스 창업자가 투자한 캐나다 제너럴퓨전에서는 영국 옥스퍼드 인근에 대규모 실험로를 건설하고 있다.


미국 MIT 출신들이 만든 코먼웰스퓨전시스템스에서도 '스파크(SPARC)'라는 소형 핵융합로를 만들고 있으며, 기존 초전도 자석보다 훨씬 높은 온도에서 구동하는 고온 초전도 자석으로 기존보다 훨씬 강한 자기장을 만들어 효율을 높이는데 연구에 박차를 가하고 있다.

핵융합 인공태양의 종류

이렇게 많은 국가와 민간 기업들에서 기술 개발 중인 '핵융합 인공태양' 기술이 겨우 하나의 접점만을 가지고 있을까? 지난 2021년 8월 한국핵융합에너지연구원(KFE)에 따르면 당시 인공태양의 종류는 토카막 69개로 전체 54%를 차지했고 스텔러레이터 13개로 10%, 레이저 8개로 6%, 기타연구장치 36개로 29%를 각각 차지했다.


이렇게 인공태양의 종류 또한 한두가지가 아니라는 뜻이다. 거기다 인공 태양의 기술들도 계속 진화하고 새로운 방식들도 속속들이 발견되고 있다.

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한국 핵융합 실증로 'KSTAR'에 대한 오해와 진실

2020년 11월 24일 한국핵융합에너지연구원이 한국형 초전도 핵융합장치인 KSTAR를 이용해 1억 도의 초고온 플라스마를 30초 이상 연속으로 발생시키는 데 성공했다. 이 정도의 높은 온도를 가진 플라스마를 길게 유지한 건 전세계에서 처음으로 KSTAR는 2019년 1억 도에서 8초 운전으로 세계 기록을 세운 뒤 약 1년도 지나지 않아 두 자릿수를 기록하며 다시 한번 세계 기록을 갈아치웠다.


그리고 2년여 시간이 흐른 지난 2022년 12월 13일 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)에 있는 핵융합 연구 시설 국립점화시설(NIF)의 연구팀이 지난 5일 핵융합 '점화'(ignition)를 처음으로 성공했다고 제니퍼 그랜홈 미국 에너지부 장관이 발표했다. 이로써 AP통신 로이터통신 , CNN등 미국 언론들과 전세계, 국내 갖가지 언론 보도들에서는 일제히 미국의 이번 핵융합 점화 성공이 핵융합 발전 실현에 필요한 첫 관문에 도달했다는 소식을 전하게 되었다.


이로인해 이번 미국의 핵융합 '점화'(ignition) 성공에 대한 기술 발전이 한국 핵융합 기술에 대한 도태되는 기술이 되지 않을까하는 우려의 시선들도 있는 것 같은데 이는 사실이 아니다.


대전 한국핵융합에너지연구원 내에 있는 핵융합 실증로 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 건설에만 5000억원이 넘는 예산이 투입됐고, 매년 500억~800억원이 들어간다고 한다. 이런 한국의 KSTAR는 플라스마를 한 번 켜는 데만 1000만원 정도가 든다고하니 어마어마한 투자금이 일어나고 있는 것이다.


이런 엄청난 금액이 핵융합발전에 대한 자금으로 쓰이고 있으니 이같은 걱정도 어느정도 이해가 가는 부분이다. 그러나 이는 어떠한 부분에 대해서는 맞는 말이지만 한편으론 틀린 생각이기도 하다. 지극히 개인적인 의견이지만 반은 맞고 반은 틀리다는 의미다.

핵융합발전에서 점화(ignition)란?

먼저 이번 미국에서의 핵융합 '점화'(ignition) 성공은 실제로 엄청난 기술적 성과다. 여기서 중요하게 봐야하는 점은 바로 '점화(ignition) 성공'이라는 단어다.


미국의 이번 핵융합 점화 성공이 가져다 주는 의미는 '핵융합발전 인공태양'에 관하여서 획기적인 발전임과 동시에 매우 중요한 부분임은 확실하다. 먼저 여기서 말하는 핵융합 점화란? 발전 과정에서 투입된 에너지보다 많은 에너지를 생산한다는 의미로 다른 표현으로는 '순 에너지 생산'이라고도 불린다.


이번 미국의 LLNL 내 국립점화시설(NIF)에서는 지난 12월 5일 진행된 실험에서 2.05MJ(메가줄)의 에너지를 투입해 3.15MJ의 에너지를 만들어 냄으로써 지난해 실험과 비교해 고무적인 진전을 보였다. 이것이 뜻하는 바는 결국 핵융합발전 기술로 인해 우리가 얻어내야 하는 실질적 순이익점이 투입된 에너지 양보다 생산되는 에너지의 양이 많아야 상용화가 가능하다는 뜻과 일맥상통(一脈相通)하다.


결국 전세계에서 인공태양 관련 기술개발에 최종 목표점은 얼마나 작은 에너지를 활용하여 방대한 에너지로 만들 수 있느냐 하는 것이다. 하지만 이번 미국의 핵융합 점화 성공에는 다른 것이 빠져있다. 바로 지속적으로 사용이 가능한가에 대한 점이다.

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토카막 가둠 방식 VS 관성 가둠

이야기를 이어나감에 있어 확실히 짚고 넘어가자면, 1950년대 핵융합 연구가 시작된 이래 점화에 성공한 사례는 전 세계를 통틀어 이번이 처음이다. 제니퍼 그랜홈 에너지장관의 말처럼 이번 점화 성공은 획기적인 성과이자 훨씬 더 많은 발견으로 이어질 과학적 이정표임에는 틀림없는 사실이다. 그러나 이번 성과가 안정적인 핵융합 발전으로 이어지기에는 극복해야 할 과제가 여전히 많다.


이는 이번 미국에서 성공한 핵융합 점화(순 에너지 생산)에 대한 기술이 지속적으로 유지 가능한가에 대한 이야기다.

1. 한국의 인공태양은 토카막 가둠 방식

한국의 핵융합 인공태양 기술은 앞서 계속 언급한 'KSTAR'다. KSTAR는 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지상에서 구현하기 위해 만든 실험로다. 이는 '핵융합 발전' 기술이 인공태양이라고 불리는 이유이기도 하다.

핵융합 발전이란?

세상에서 가장 가벼운 원자(중수소, 삼중수소)인 수소 원자핵 4개가 모여 1개의 무거운 원자핵(헬륨)을 만드는 융합 과정에서 줄어든 질량만큼 고속의 중성자가 튀어나와 에너지로 바뀌는 것이 핵융합 에너지이며 이때 중성자가 가진 엄청난 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이 핵융합 발전이다.

한국의 KSTAR는 초전도 자석을 이용해 도넛 모양의 '토카막'이라는 장치를 이용하여 고온의 플라스마를 안정적으로 가둬 놓는 가둠 방식을 적용하여 초전도 자석 제작, 플라스마 제어 등 핵융합을 일으키는 핵심기술이 세계 최고로 인정받고 있다.


태양은 질량이 크고 그만큼 중력도 커 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라스마가 자연스럽게 만들어진다. 이런 태양과 같은 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 1억 도 이상 초고온 상태의 플라스마(원자핵과 전자가 분리된 이온 상태)가 필요하지만 지구에서는 상대적으로 중력이 작아 1억 도의 초고온 플라스마를 인위적으로 만들어줘야 한다. 이를 '토카막 가둠' 상태로 구현하는 게 한국의 KSTAR다.


이렇게 핵융합 반응이 안정적으로 일어나기 위해서는 초고온 플라스마가 오랫동안 유지돼야 한다. 그간 미국, 일본, 유럽 등 다른 국가들의 핵융합 장치들이 1억 도 이상 초고온 플라스마를 만드는 데는 성공했지만 10초 유지의 벽을 넘지는 못했다.


한동안은 일본은 5초, 유럽은 7초의 최장 기록을 보유하였지만, 일본과 유럽의 핵융합 장치는 KSTAR와 달리 상전도 구리 자석을 쓰고 있어 플라스마를 가두기 위해 높은 전류를 계속 흘리면 자석이 너무 뜨거워져 장시간 연속운전이 어렵다는 근본적인 한계가 있었다.


애초에 자기장으로 가두는 토카막 방식 핵융합 발전의 가장 큰 난관은 고온의 플라스마를 안정적으로 유지하기 어렵다는 점이다. 물리학자들은 이 플라스마를 100초 정도 유지할 수 있으면 계속 운전이 가능하다고 보고있는데, 플라스마 같은 물리 현상에서 여러 변수가 각기 다른 사이클로 나타나지만 그 유지 시간이 100초가 지나면 나타날 수 있는 모든 현상을 제어할 수 있다고 보는 것이다.


KSTAR는 2018년 처음으로 1억 도에서 1.5초 간 플라스마를 발생하는 데 성공한 8초로 늘려 세계 최장 기록을 세웠고 이후 현재 1억도의 플라스마를 30초 유지할 수 있는데 세계 최고 기록을 가지고 있다.


겨우 30초? 라며 짧아보일 수 있지만, 이 기록은 1950년대 이후 첫 기록이다. 한국은 추후 유지 시간을 2024년 100초, 2026년 300초로 늘려 플라스마 제어 기술을 완성할 계획을 가지고 있으며, 많은 전문가들이 현존하는 인공태양 상용화에 가장 가까운 기술을 토카막 가둠 방식이라고 보고있다.


쉽게말해 1억도의 플라즈마가 필요하지만 현재 지구상에는 1억도가 넘는 대량의 열 에너지를 견딜만한 물질이 없다. 그러나 진공상태의 용기안에 플라즈마를 넣어 자기력을 이용해 떠오르게 한 뒤 벽에 닿지 않게 플라즈마를 이용한 제어 기술이 300초가 넘어가면 핵 융합로 내부에서 플라즈마의 움직임을 완벽히 파악하고 제어 할 수 있는 실증 능력을 갖추게 된다는 뜻이다.


한국에 남은 숙제는 가동시간을 늘리고 미국과 같이 점화까지 마치며 '순 에너지 생산'을 실증하는 것이다.

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2. 미국의 이번 점화 기술은 관성 가둠(레이저 핵융합) 방식

미국 로런스 리버모어 국립연구소(NIF)는 현재 한국의 KSTAR와 같은 '토카막 자기장 가둠 방식'을 사용하지 않고 핵융합 발전을 시도했다. 이번 미국의 핵융합 시도는 고출력 에너지 레이저를 사용한 방법으로 '관성 가둠'(레이저 핵융합)이라고 불리는 방식이다.


토카막 가둠 방식도 오래된 기술 중 하나이지만, 사실 이번 미국이 점화에 성공한 '관성 가둠 방식' 역시 1950년 후반 연구가 시작됐을 정도로 오래된 기술이다. 관성 가둠 방식의 좋은 점들은 핵융합로 구조 자체를 간단하게 만들 수 있다는 데에 있다.


이번 미국의 실험에서 연구진은 2.05MJ(메가줄)의 에너지를 이용해 3.14MJ의 핵융합 에너지를 얻으며 인풋 보다 아웃풋이 1.5배 정도 많은 ‘점화’에 성공했다. 관성 가둠 방식으로 핵융합 발전이 가능하다는 최소한의 원리를 입증한 셈이다.


이 방식으로 인해 미국이 핵융합 점화에 도달한 것이고 이는 보다 작은 에너지로 더 큰 에너지를 만들 수 있다는 실증을 보여주었다. 일반적으로 그동안 질량 보존의 법칙(화학반응의 전후에서 반응물질의 전질량(全質量)과 생성물질의 전질량은 같다고 하는 법칙)에 의한 에너지 보존 법칙의 상식이 제대로 박살나는 순간이다.


그러나 미국의 이런 관성 가둠 방식도 완벽한 것이 아니다. NIF가 핵융합을 일으키는 데 사용한 레이저 장비는 레이저를 만드는 데 사용한 에너지의 극히 일부만 실제 레이저로 전환하여 상업용 발전소로 이용하기에는 그 크기가 너무 크고 비싸며 또한 비효율적이다.


이유는 핵융합 발전을 하려면 처음 에너지를 공급한 뒤에 자체적으로 핵융합 반응이 연쇄적으로 일어나며 '점화'가 지속되어야 하지만 현재 NIF 시설에선 한 번에 한 건의 핵융합 반응을 일으키는 것이 가능하다는 이론을 보여주었을 뿐이다. 이는 현재의 관성 가둠 방식으로는 지속적으로 에너지를 만들 수 없다는 이야기가 된다.


실제로 관성 가둠 방식은 현재 연속해서 실험할 수 없다. 막대한 에너지가 소모되는 레이저 출력을 계속 유지할 방법도 없으며 연속해서 출력할 수 있는 방법이 없기 때문이다. 과학계에서는 상업적인 발전을 위해서는 최소 1초에 여러 차례 핵융합 반응이 일어나야 할 것으로 보고 있지만 이와는 아주 동떨어진 얘기다.


미국의 NIF가 넘어야 할 숙제는 발전을 해서 에너지를 얻는 에너지 증폭 과정과 이를 유지하는 지속성이 모두 있어야 한다. 미국의 관성 가둠은 점화라는 '결과'는 이루어 냈지만, 이를 '지속할 수 있는 방법이 아직 없다.는 것과 비싸고 커다란 다수의 레이저 장비를 어떻게 상용화 할 수 있냐는 것이다.

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한국과 미국의 핵융합 인공태양

한국은 애초에 이런 레이저 핵융합 연구를 진행하는 것이 현실적으로 아주 힘들다. 애석하게도 고출력 레이저는 비용이 많이 들 뿐더러 군사 기술로 전용이 가능하기 때문에 미국과 각국의 반대를 넘어서면서 시도하기란 쉽지 않을 것이기 때문이다.


미국이니까 할 수 있는 실험이나 마찬가지다. '아주 작은 용기를 192개의 레이저로 일시에 타격하여 에너지를 방출한다는 생각 방식 자체부터 군사용 무기를 떠올리게 만든다는 생각이 들 정도다.


또한 NIF는 건설에만 1997년부터 2009년까지 총 12년이 소요됐고, 건설비용은 4조6500억이나 들었다. 또 연간 6000억원 이상의 연구비가 투입되는 거대 시설로 앞서 소개한 대전 한국핵융합에너지연구원 내에 있는 핵융합 실증로 KSTAR의 건설비용 5000억원과 연간 500억~800억원의 연구비 투입은 많아 보였지만 사실 NIF에 비할바가 못되는 수준인 것이다.


무엇보다 토카막 방식이 차근차근 발전을 이루고 있다는 점이 중요하다. 국제사회의 전폭적인 지원을 받는 ITER가 성공한다면 2050년에는 실제 발전소 운영이 가능해진다는 전망이 많다.

한국의 핵융합 발전 인공태양 기술? 아직은 "세계 최강국 임은 분명한 사실이다."

그러나 대한민국이 이런 기초과학 분야에 쏟는 열정은 없다. 예산은 늘 턱 없이 부족하며 정작 커져야 할 기초과학 분야가 한국에서는 제대로 지원이 이루어 지지 않는다는 것이 참 안타까울 뿐이다. 당장에 미래를 선도할 분야들은 인공태양, 양자역학, 우주과학 같이 기초과학 분야가 주도 하고 있음에도 한국이 처한 현실이 매우 안타까울 뿐이다.


한국은 오래전부터 미래 기술력 확보를 위한 기초 과학의 중요성에 대해 경고를 하고있음에도 한국 자체 정서와 문화, 정치 문제 등 다양한 갈등으로 인해 원천 기술들을 놓치고 있으니 너무 슬픈 현실이다.


어쨌거나 이번 미국 핵융합발전 연구???? 대단한 업적을 이룬것도 사실이다. 에너지로 더 큰 에너지를 만든다?


마치 불가능 할 것으로 보였던 '무한한 발전과 진정한 의미에 친환경 에너지'의 현실화를 알린 첫 발걸음이라고 생각된다. 애초에 미국과 한국에서 이루어진 이 일련의 과정들이 모두 미래의 핵융합 인공태양 기술에 꼭 필요한 요소들이며, 무엇이 더 대단한 기술이다. 라고 정의하기보단 정말 인공태양 기술의 상용화가 얼마 남지 않았을지도 모른다는 기대감을 갖게 해주는 위대한 기술적 발전임은 틀림없다.


사실 개인적으로 인공태양에 대한 이야기는 다이스 스피어나 국제핵융합로(ITER)에 대한 이야기 관련 영화 등등 쓰고 싶은 글은 참 많지만 너무 내용이 길어져서 다음 시간에........

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마지막으로 돈이Money? 답게 미래의 투자를 위한 다가 올 인공태양에 한국이 주목해야 할 분야를 꼽는다면?

유석재 한국핵융합에너지연구원 원장은 한 기자와의 인터뷰에서 '블랭킷'부품 기술을 언급했다. 블랭킷(담요)은 진공용기의 안쪽을 둘러싸는 부품으로 어떤 핵융합 방식을 택하더라도 필요한 소모품이다. 여기에 선제적으로 투자를 해 기술력을 확보하면 핵융합 시대에 가장 큰 부가가치를 얻을 수 있다는 것이다.