‘사기’로 몰렸던 상온핵융합…지금은 다르다? [강석기의 과학풍경]

상온에서 핵융합이 가능해진다면 인류의 에너지 문제를 단번에 해결할 것이란 기대를 부른다. 사진은 칼럼 내용과 직접 관련 없는 추상적 이미지. 게티이미지뱅크

강석기 | 과학칼럼니스트

1989년 3월23일 미국 유타대의 전기화학자 마틴 플라이슈만과 스탠리 폰스는 상온핵융합 반응에 성공했다는 놀라운 발표를 했다. 핵융합발전은 1억도의 고온에서나 가능한 먼 미래의 기술이라고 생각했으므로 이들의 발표는 센세이션을 불러일으켰다. 이게 사실이면 인류의 에너지 문제를 단번에 해결할 수도 있기 때문이다.

이들은 팔라듐 금속이 스펀지처럼 결정격자 사이로 수소(H)를 끌어들인다는 사실에서 아이디어를 떠올렸다. 즉 수소의 동위원소인 중수소(D)로 이뤄진 물인 중수(D₂O)를 전기분해할 때 팔라듐 전극에 환원된 중수소가 몰리며 서로 충돌해 핵융합반응이 일어날 수 있지 않을까. 실험을 해보니 놀랍게도 용액 온도가 30도에서 50도로 올라가 한동안 유지됐다. 이는 다른 이론으로 설명할 수 없는 양의 에너지가 생성된 것으로, 이들은 핵융합반응으로 헬륨-3이 생길 때 함께 나오는 중성자도 검출했다고 주장했다.

당시 대학 3학년인 필자가 다니던 학과의 분석화학 교수님을 비롯해 세계 곳곳에서 많은 과학자들이 재현 실험에 뛰어들었다. 개중에 성공했다는 얘기도 있었지만 대부분은 실패했고 특히 물리학계에서 엉터리라고 강력하게 반발하면서 사기로 결론이 났다.

연구자들이 ‘천둥새 반응기’(Thunderbird Reactor)라고 부른 핵융합 장치(아래)와 작동원리(위). 발진기에서 고에너지의 중수소 이온(D+. 플라스마)이 나와 팔라듐 표적(Palladium target)에 충돌해 결정격자로 침투해 서로 충돌하며 핵융합반응이 일어난다. 이때 팔라듐 반대 면이 전극으로 쓰여 중수의 전기분해로 환원된 중수소(D)를 포획해 격자 내 농도를 높이면 반응 효율이 높아진다. 네이처 제공

지난주 학술지 네이처에는 한 세대 전 해프닝으로 끝난 줄 알았던 상온핵융합을 소환한 논문이 실렸다. 브리티시컬럼비아대가 주축이 된 캐나다와 미국 공동연구팀은 고에너지 중수소 이온(플라스마)을 팔라듐 표적에 쏴 격자 내부에서 핵융합반응을 일으키는 소위 ‘격자가둠핵융합’에 상온핵융합의 중수 전기분해를 결합했다. 표적인 팔라듐의 한쪽 면을 전극으로 쓰면 환원반응이 일어날 때 생기는 중수소까지 포획해 농도가 올라가 핵융합반응 효율이 높아질 수 있기 때문이다.

실험 결과 전기분해와 결합하면 중성자 검출 건수(핵융합 효율)가 15% 높아지는 것으로 밝혀졌다. 즉 전기분해의 환원반응으로 팔라듐 전극의 격자 내부에 들어온 중수소끼리는 에너지가 부족해 핵융합반응이 일어나지 못하지만(따라서 상온핵융합은 불가능), 고에너지 중수소 이온을 만나면 가능하다는 것이다. 연구자들은 이 과정에서 나오는 에너지가 전체 실험에 투입된 에너지보다 훨씬 적어 상용화까지는 먼 길이지만 이번처럼 전기화학 등 다른 분야의 기술을 접목해 효율을 높이는 연구를 계속해야 한다고 주장했다.

영국의 뛰어난 전기화학자였던 마틴 플라이슈만은 제자 스탠리 폰스가 있는 미국 유타대로 건너가 회심의 연구를 진행했지만 사기꾼으로 몰려 결국 둘 다 대학을 떠나 1992년 프랑스의 도요타자동차 연구소에 자리를 잡고 상온핵융합 연구를 계속했지만 성과를 내지 못했다. 플라이슈만은 1995년 은퇴했고 폰스 역시 1998년 퇴사한 뒤 잠적했다. 플라이슈만은 2012년 85살에 세상을 떠났는데, 상온핵융합이 언젠가는 사람들의 인정을 받을 것이라고 기대했다고 한다.

생각해보면 팔라듐 격자 내부에 중수소 농도를 높이면 핵융합반응이 일어날 수 있다는 이들의 아이디어 자체는 맞았고 다만 전기분해로 만들어진 저에너지 중수소만으로는 역부족이었던 셈이다. 플라이슈만이 살아 있어 이번 연구를 알았다면 약간이나마 위안을 얻지 않았을까.