5000억 쏟아부은 한국 인공태양은 틀린 선택이었나[박건형의 홀리테크]

한국의 ‘자기장 가둠 방식’이 미국의 ‘관성 가둠’보다 성공 가능성 높아

미 LLNL 연구진은 핵융합 발전을 통해 투입한 에너지보다 더 많은 에너지를 얻는 데 처음으로 성공했다. 사진은 레이저를 이용해 핵융합을 일으키는 시설 내부 모습. /미 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)

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미국 정부는 지난 13일(현지 시각) 핵융합과 관련한 ‘중요한 과학적 돌파구’를 발표한다고 예고했습니다. 워싱턴포스트, 월스트리트저널 같은 외신들은 “과학자들이 핵융합 반응의 가치를 입증한 것 같다”는 전망을 쏟아냈고, 심지어 바이든 미국 대통령이 직접 회견장에 나타날 것이라고 내다보는 사람들도 있었습니다.

기자회견장에 대통령은 나타나지 않았습니다. 하지만 회견 내용은 과학기술계는 물론 환경운동가들을 설레게 하기에 충분했습니다. 제니퍼 그랜홈 미국 에너지부 장관의 발표는 다음과 같았습니다. “지난 5일 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 핵융합 연구 시설 ‘국립점화시설(NIF)’ 연구팀이 핵융합 ‘점화(ignition)’에 처음으로 성공했습니다.”

도대체 핵융합은 무엇이고, 점화는 뭘까요. 왜 세계 각국과 민간 기업들은 여기에 막대한 돈과 인력을 쏟아 붓고 있는 걸까요.

◇지구에 태양 만드는 핵융합 발전

자료=워싱턴포스트(WP), 과학기술정보통신부

핵융합은 핵에너지를 사용합니다. 우리가 이미 잘 알고 있는 핵에너지가 있습니다. 바로 핵분열을 이용하는 원자력 발전입니다. 원자력 발전은 우라늄이나 플루토늄의 핵이 분열하면서 나오는 에너지를 씁니다. 반면 핵융합은 수소처럼 작은 원자가 합쳐져 다른 원자로 만들어지는 과정에서 남는 핵에너지를 씁니다. 원자력 발전과는 반대 원리이죠. 핵융합은 엄청난 빛과 열을 내뿜는 수소폭탄의 기본 원리이기도 합니다.

사실 인류는 핵융합의 엄청난 수혜를 받으며 살고 있습니다. 태양이 빛과 열을 내는 것이 바로 태양 내부에서 수소의 핵융합 반응이 일어나고 있기 때문입니다. 이 때문에 핵융합 발전을 ‘인공 태양’이라고 부릅니다. 이론적으로 핵융합 에너지의 효율은 현재 가장 효율이 높은 발전 방식인 원자력의 7배 수준입니다. 수소 1kg으로 핵융합 반응을 일으키면 석탄 8t을 사용한 화력발전만큼의 전력을 생산할 수 있습니다.

27일 오전 대전 유성구 한국핵융합에너지연구원에서 연구원들이 초전도핵융합연구장치(KSTAR) 내부를 점검하고 있다. 한국핵융합에너지연구원은 지난해 초전도핵융합연구장치(KSTAR) 1억℃ 초고온 플라즈마 20초 유지에 성공했으며, 올해 3월부터 8월까지 1억℃ 초고온 플라즈마 30초 유지와 5000~6000만도 고성능 플라즈마 운전모드(H-모드) 100초 이상 유지 달성 계획을 세웠다. /신현종 기자

핵융합 발전로를 만드는 원리는 이렇습니다. 우리가 흔히 아는 수소는 원래 중성자 없이 양성자와 전자로 돼 있습니다. 하지만 바닷물 속에는 일정 비율(1L에 0.03g)로 중성자를 갖고 있는 중수소가 포함돼 있습니다. 이 중수소와 인위적으로 만들어낸 삼중수소(중성자 2개짜리 수소)를 태양과 같은 고온에서 충돌시키면 수소끼리 결합하면서 헬륨이 되고, 필요 없어진 중성자가 튀어나옵니다. 이 중성자의 에너지를 활용하면 물을 데워 발전기를 돌릴 수 있습니다.

중수소-삼중수소, 중수소-중수소, 중수소-헬륨3 같은 다양한 조합으로 같은 결과물을 얻을 수 있습니다. 핵분열인 원자력발전과 달리 고준위 방사성 폐기물이 나오지 않고, 무한에 가까운 원료(바닷물)가 있기 때문에 ‘꿈의 청정 에너지’라는 수식어도 과하지 않다고 할 수 있습니다.

◇인공 태양을 향한 도전

세계에서 가장 강력한 초전도 자석을 이루는 6개 모듈 중 하나. 국제핵융합실험로(ITER)의 한 가운데 들어갈 예정이다. /제네럴 아토믹

핵융합은 사실 아주 오래된 기술입니다. 1950년대 구소련에서 이론이 확립됐고, 수소폭탄을 만드는 과정에서 원리도 입증됐습니다. 독일 뮌헨의 독일박물관에 가면 수십 년 전에 만들어진 핵융합 부품 토카막(Tokamak)도 볼 수 있습니다. 하지만 기술적으로 오랜 기간 뚜렷한 발전이 없었죠. 우선 핵분열보다 핵융합의 난도가 훨씬 높습니다. 원자핵은 서로 밀어내는 성질이 있거든요. 무엇보다 필요성이 떨어졌습니다. 석유와 원자력이라는 손쉬운 에너지가 널려 있는 상황에서 굳이 언제 가능할지도 모르는 핵융합에 매달리는 것은 자원과 시간 낭비일 테니까요. 하지만 전력사용량은 계속 늘어나는 상황에서 화석연료에 대한 부정적인 시각이 확산되자 1990년대 후반부터 ‘미래 에너지’를 개발해야 한다는 목소리가 높아졌습니다.

우리나라를 비롯한 미국, 중국, 독일, 영국, 일본 등이 이 시장을 노리고 앞다퉈 막대한 돈을 투자했고 앞으로도 투자할 계획입니다. 지금까지 가장 유력한 핵융합 발전 방식은 ‘토카막’입니다. 도넛 형태의 진공용기 내부에 고온의 플라스마를 일으켜 그 안에서 핵융합을 일으키는 겁니다. 과학자들은 핵융합을 가장 효율적으로 일으킬 수 있는 온도를 1.5억도로 보고 있습니다. 그런데 이런 온도를 견딜 수 있는 용기는 없습니다. 그래서 플라스마를 전자석으로 만들어낸 높은 자기장 안에 가둡니다. 용기 안에 띄워놓는 거죠.

이 토카막 방식은 초전도자석이 개발되면서 획기적으로 발전했습니다. 과거에는 구리선으로 감은 코일로 만든 전자석을 이용했는데, 큰 전류를 흘리면 전기 저항으로 엄청난 열이 발생해 오래 운전할 수 없었습니다. 반면 초전도자석은 특정 온도 이하로 냉각하면 저항이 거의 없어집니다. 온도를 얼마나 낮춰야 할까요. 영하 268도 정도입니다.

◇한국은 자기장 가둠 방식의 선진국

핵융합장치 ‘KSTAR’의 내부에서 다량의 전자가 고밀도로 형성된 플라스마가 시현된 모습. 원형 외곽의 짙은 색이 플라스마가 형성된 모습이고 주위의 하얀 빛은 플라스마가 적은 영역을 나타낸다.

한국은 핵융합 발전에 막대한 돈을 투자해 왔습니다. 대전 한국핵융합에너지연구원 내에 있는 핵융합 실증로 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 건설에만 5000억원이 넘는 예산이 투입됐고, 매년 500억~800억원이 들어가고 있습니다. 쓸데없는 돈을 쓴 게 아닙니다. 한국의 핵융합 발전 기술력은 세계 최고 수준입니다. 자기장으로 가두는 토카막 방식 핵융합 발전의 가장 큰 난관은 고온의 플라스마를 안정적으로 유지하기 어렵다는 점입니다. 물리학자들은 이 플라스마를 100초 정도 유지할 수 있으면 계속 운전이 가능하다고 봅니다. 플라스마 같은 물리 현상은 여러 변수가 각기 다른 사이클로 나타나는데, 100초면 나타날 수 있는 모든 현상을 제어할 수 있다는 겁니다. 한국은 현재 1억도의 플라스마를 30초 유지할 수 있는데 세계 최고 기록입니다.

플라스마를 한 번 켜는 데만 1000만원 정도가 든다고 합니다. 한국은 유지 시간을 2024년 100초, 2026년 300초로 늘려 플라스마 제어 기술을 완성할 계획입니다. 그 후 일정은 국제사회가 함께 만들고 있습니다. 바로 프랑스 카다라슈에 건설되고 있는 국제핵융합실험로(ITER)입니다. 건설에만 무려 20조원이 투자되는 ITER는 유사 이래 최대의 국제 공동 프로젝트로 불립니다. 한국·미국·러시아·유럽·일본·중국·인도 등 7개국이 참여합니다. 현재 공정률이 77% 수준인데 2035년이면 핵융합 발전 상용화 여부가 가려질 것으로 기대를 모으고 있습니다.

프랑스 카다라쉬에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER) 구조. 진공용기 안에서 1억도의 플라스마(분홍색)가 발생하고 세계에서 가장 강력한 자석(가운데 흰 기둥)이 플라스마가 용기에 부딪히지 않도록 밀어낸다. /ITER

◇전혀 다른 길 개척한 미국

그런데 미국 로런스 리버모어 국립연구소는 토카막 같은 자기장 가둠 방식을 사용하지 않고 핵융합 발전을 시도했습니다. 여기에는 고에너지 레이저가 사용됩니다. ‘관성 가둠’ 또는 ‘레이저 핵융합’이라고 불리는 방식입니다. NIF는 건설에만 1997년부터 2009년까지 12년이 소요됐고, 건설비용은 4조6500억이나 들었습니다. 또 연간 6000억원 이상의 연구비가 투입되는 거대 시설입니다.

우선 핵융합의 원료인 중수소와 삼중수소를 작은 금속 용기에 넣습니다. 이어 사방에서 192개의 강력한 레이저로 이 용기를 동시에 쏩니다. 여기에 사용하는 전력은 500TW(테라와트)에 이르는데 미국 전역이 한번에 사용하는 순간전력의 1000배에 이릅니다. 레이저를 받으면 용기 내부 온도가 순식간에 높아지고 강한 압력이 생겨나 내부의 수소를 압축합니다. 이 과정에서 핵융합이 이뤄집니다.

물론 이 관성 가둠 방식 역시 1950년 후반 연구가 시작됐을 정도로 오래된 기술입니다. 그렇다면 무엇이 ‘중대한 과학적 돌파구’일까요. 관성 가둠 방식의 문제는 엄청난 에너지가 투입되는데 비해 발생하는 에너지가 형편 없다는 것이었습니다. 에너지를 만들어내는 것이 발전이라면, 더 많은 에너지를 투입해 적은 에너지를 얻는 것은 발전이 아니죠. 하지만 이번 실험에서 연구진은 2.05MJ(메가줄)의 에너지를 이용해 3.14MJ의 핵융합 에너지를 얻었습니다. 인풋 보다 아웃풋이 1.5배 정도 많습니다. 이를 ‘점화’라고 합니다. 관성 가둠 방식으로 핵융합 발전을 할 수 있다는 것을 ‘최소한’ 원리로는 입증한 셈입니다. 하지만 어디까지나 첫 걸음 수준에 불과합니다. 어떤 한계가 있는 걸까요.

/연합뉴스 제니퍼 그랜홈 미국 에너지부 장관(가운데)이 13일(현지 시각) 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 핵융합 연구 시설 ‘국립점화시설(NIF)’ 성과를 발표하고 있다.

◇점화만 했을 뿐, 지속 방법은 없어

유석재 한국핵융합에너지연구원 원장에게 이번 발표의 의의를 물어봤습니다. 유 원장은 “중요한 과학적 발전임은 분명하지만 과대평가할 필요도 없다”고 했습니다. 그리고 이렇게 설명합니다. “발전을 해서 에너지를 얻는다는 것은 에너지를 증폭하는 과정(증폭)과 이를 유지하는 과정(지속)이 모두 있어야 합니다. 석탄이나 석유를 에너지라고 하는 건 불붙은 에너지가 증폭이 되고 연료를 공급하면 지속이 되기 때문입니다. 이게 에너지원입니다. 장작에 불을 붙였을 때 꺼지면 점화라고 할 수 없는 것과 마찬가지입니다. 미국의 관성 가둠은 점화는 했지만, 이를 지속할 수 있는 방법이 아직 없습니다.”

한국핵융합에너지연구원 유석재 원장

실제로 관성 가둠 방식은 현재 연속해서 실험할 수 없습니다. 막대한 에너지가 소모되는 레이저 출력을 계속 유지할 방법도, 연속해서 출력할 수 있는 방법도 없습니다. 과학계에서는 상업적인 발전을 위해서는 최소 1초에 여러 차례 핵융합 반응이 일어나야 할 것으로 보고 있습니다. 이번 발표가 전형적인 미국식 포장이라는 비판도 있습니다. ‘점화’라는 말은 그럴듯해 보이지만, 실제로 미국 연구진이 레이저를 활용하는 과정에서 투입된 에너지를 모두 계산에 넣었을 가능성은 낮습니다. 또 핵융합 발전을 통해 더 많은 에너지를 얻을 수 있다는 것을 입증했다는 점도 반박이 가능합니다. 핵융합이 엄청난 에너지를 내뿜는다는 건 이미 수소폭탄 개발 과정에서 확인됐죠.

킴벌리 부딜 LLNL 소장도 기자회견장에서 “상업적 핵융합 발전이 언제 가능하겠느냐”는 질문에 “과학 뿐 아니라 기술적으로 넘어야 할 매우 큰 장애물들이 있다”고 했습니다. 또 “기반 기술 연구에 노력과 투자를 집중하면 몇십 년 내에 발전소를 지을 수 있을 것”이라고 했습니다.

◇”핵융합의 변곡점 곧 온다”

혹시 모르니까 한국도 레이저 핵융합을 지금이라도 연구해야 하는 것 아닐까요. 애석하게도 한국이 레이저 핵융합을 연구하기에는 현실적인 한계가 많습니다. 고출력 레이저는 비용이 많이 들 뿐더러 군사 기술로 전용이 가능하기 때문에 미국 이외는 시도하기가 쉽지 않습니다. ‘아주 작은 용기를 192개의 레이저로 일시에 타격한다’는 방식 자체부터 군사용 무기를 떠올리게 하죠. 이론적으로는 수소폭탄의 기폭제인 원자폭탄 대신 레이저를 활용할 수도 있습니다. 블룸버그통신은 아예 이번 발표에 대해 “오래된 탄두가 노화되는 방식을 측정하는 방법을 개발할 수 있게 됐다”고 평가 했습니다. 레이저 실험을 통해 얻은 데이터로 실제 무기를 테스트하지 않아도 모델링이 가능해졌다는 겁니다.

무엇보다 토카막 방식이 차근차근 발전을 이루고 있다는 점이 중요합니다. 국제사회의 전폭적인 지원을 받는 ITER가 성공한다면 2050년에는 실제 발전소 운영이 가능해집니다. 유석재 원장은 한국이 주목해야 할 분야로 ‘블랭킷’을 꼽습니다. 블랭킷(담요)은 진공용기의 안쪽을 둘러싸는 부품으로 어떤 핵융합 방식을 택하더라도 필요한 소모품입니다. 여기에 선제적으로 투자를 해 기술력을 확보하면 핵융합 시대에 가장 큰 부가가치를 얻을 수 있다는 겁니다. 물리학계의 오랜 농담이 있습니다. “핵융합 발전이 언제 상용화되느냐”라는 질문에 핵융합 연구자들이 항상 “20년 뒤”라고 답한다는 겁니다. 일각에서는 ‘핵융합 난도 불변의 법칙’이라는 말도 있습니다. 하나의 난관을 넘어서면 그만한 난관이 계속 등장한다는 거죠.

엔리코 페르미가 1942년 만든 세계 최초의 원자력 발전 시설 '파일1'

하지만 유석재 원장은 “곧 변곡점이 온다”고 했습니다. 그는 원자력 발전을 예로 들었습니다. 1942년 엔리코 페르미가 핵분열을 실증하자 불과 10년 뒤부터 엄청난 속도로 원자력발전소가 확산되기 시작했습니다. 유 원장은 “ITER에서 실증이 되면 세계 각국이 앞다퉈 발전소 건설에 나서는 핵융합의 변곡점이 시작될 것”이라고 했습니다. 거대한 핵융합 발전소를 여러 곳에 짓는 문제도 다른 방식으로 해결할 수 있다고 했습니다. 그는 “열에너지로 전기생산을 하면 30%의 효율이지만, 수소를 생산하면 효율이 80~90%에 이른다”는 겁니다. 핵융합 발전소에서 전기 대신 수소를 생산하고 이를 수소연료전지로 만들면 어디서나 사용할 수 있다는 얘기입니다.

◇핵융합 춘추전국 시대

최근 핵융합 발전 시장에는 이전에 없던 현상도 나타나고 있습니다. 핵융합은 워낙 큰 돈이 들어가고, 상용화 시점도 예측하기 힘들기 때문에 국가가 주도하는 것이 당연시됐습니다. 그런데 민간 기업과 스타트업이 대거 뛰어들기 시작했습니다. 미국 MIT 출신들이 만든 코먼웰스퓨전시스템스는 ‘스파크(SPARC)’라는 소형 핵융합로를 만들고 있습니다. 이 회사의 무기는 기존 초전도 자석보다 훨씬 높은 온도(그래도 영하 173도)에서 구동하는 고온 초전도 자석입니다. 기존보다 훨씬 강한 자기장을 만들어 효율을 높이겠다는 포부입니다. 구글과 쿠웨이트투자청이 투자한 미국 TAE테크놀로지스도 ‘코페르니쿠스’라는 핵융합로를 만들고 있습니다. 제프 베이조스 창업자가 투자한 캐나다 제너럴퓨전은 영국 옥스퍼드 인근에 대규모 실험로를 건설하고 있고, 미국 헬리온 에너지는 “2040년까지 전세계 발전량의 20%를 핵융합으로 대체하겠다”고 호언장담하고 있습니다. 그야말로 핵융합 춘추전국 시대라고 해야 할 것 같습니다.

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