핵융합: 에너지 기술의 과학적 원리 설명

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핵융합: 에너지 기술의 과학적 원리 설명

• 태양과 별들을 움직이는 에너지원인 핵융합은 에너지 전환에 있어 무한하고 배출가스가 없는 에너지를 약속합니다.
• 전 세계적으로 정부 연구소와 민간 기업 모두 핵융합을 이용한 에너지 생산 경쟁에 뛰어들고 있지만, 이러한 움직임이 점점 커지고 있음에도 불구하고 진전은 더디게 진행되고 있습니다.
• 최근 몇 년간 핵융합에 대규모 투자를 해온 중국이 '인공 태양' 핵융합로가 오랫동안 핵융합을 제한해왔던 문턱을 넘어섰다고 발표했습니다.

핵융합 에너지에 대한 관심이 계속해서 높아지고 있으며 , 과학은 사실상 무한한 무공해 에너지 공급이라는 '꿈의 목표'에 한 걸음 더 다가가고 있습니다.

국제원자력기구(IAEA)에 따르면 핵융합은 연료 1kg당 석탄이나 석유보다 거의 400만 배 더 많은 에너지를 생산할 수 있습니다. 이는 기후 변화와의 싸움에서 획기적인 변화를 가져올 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 하지만 70년 가까이 연구가 진행되었음에도 불구하고, 여전히 몇 가지 핵심적인 기술적 난관이 남아 있습니다.

최근 몇 년간 기존 원자로의 에너지 출력에서 ​​일련의 획기적인 발전이 이루어진 데 이어 , 중국과학원은 '인공 태양'으로 불리는 핵융합 원자로가 확장 가능한 핵융합 에너지의 주요 장애물 중 하나를 극복 했다고 발표했습니다 . 실험용 첨단 초전도 토카막(EAST) 원자로는 핵융합 반응의 시작과 유지를 위한 핵심 요소인 플라즈마 안정성을 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 극고밀도에서도 유지하는 데 성공했습니다.

핵융합 기술은 상당한 발전을 이루었습니다.이미지: 미쓰비시 중공업

네이처 와 파이낸셜 타임스 의 보도에 따르면, 중국은 연간 약 15억 달러를 투자하며 핵융합 경쟁에 뛰어들었는데, 이는 미국 정부가 2024년 연구에 할당한 금액의 거의 두 배에 달하는 액수입니다 .

정부 투자와 더불어 민간 자금 조달도 급증하여 2021년에서 2025년 사이에 106억 달러에 달할 것으로 예상됩니다 . 같은 기간 동안 핵융합 프로젝트에 참여하는 기업의 수도 23개에서 53개로 두 배 이상 증가했습니다. 이러한 기술에 투자하는 투자자에는 마이크로소프트와 구글 같은 거대 기술 기업, 셰브론 같은 석유 대기업뿐 아니라 빌 게이츠와 제프 베조스 같은 억만장자들도 포함됩니다.

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핵융합이란 정확히 무엇인가요?

현재 우리가 사용하는 원자력 발전소는 원자핵을 분열시키는 핵분열을 이용합니다. 반면 태양과 별들을 움직이는 에너지원인 핵융합은 두 개의 원자핵을 하나로 합치는 과정입니다.

핵융합은 두 개의 가벼운 원자가 결합하여 더 무거운 원자를 만드는 현상입니다. 새로 생성된 원자의 총 질량은 원래 두 원자의 질량보다 작으며, 이 '부족한' 질량은 에너지로 방출됩니다. 이는 알베르트 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc²로 설명됩니다.

핵융합은 청정에너지의 궁극적인 목표입니다.사진: 레나토 페릴로

두 반응 모두 막대한 양의 에너지를 방출하지만, 핵융합은 핵분열보다 연료 1kg당 훨씬 더 많은 에너지(4배)를 생산합니다 . 또한 원자로 노심 용융 이나 통제 불능의 연쇄 반응 위험이 없고, 고준위의 장수명 방사성 폐기물도 발생하지 않습니다.

원자 조합에 따라 여러 가지 '방법'이 핵융합을 일으키는 데 사용될 수 있습니다.

오늘날 지구상에서 에너지 생산에 가장 유망한 조합은 중수소 원자와 삼중수소 원자의 융합입니다. 약 3,900만 섭씨(화씨 약 3,200만도)의 고온이 필요한 이 과정은 1,760만 전자볼트의 에너지를 생성합니다.

중수소는 수소의 동위원소이기 때문에 유망한 원료입니다. 수소는 물의 핵심 구성 요소이기도 합니다. 해수 1갤런(3.8리터)은 휘발유 300갤런(1,136리터)에 해당하는 에너지를 생산할 수 있습니다.

인공지능과 핵융합

핵융합 발전은 미래 세대를 위한 거의 무한한 에너지원의 가능성을 제시하지만, 동시에 많은 과학적, 공학적 난제를 안고 있어 발전을 저해해 왔습니다.

태양 내부의 엄청난 중력은 별의 핵에서 핵융합이 일어날 수 있는 최적의 조건을 만들어내지만, 지구에서는 그러한 조건을 달성하기가 훨씬 더 어렵습니다.

핵융합 연료는 약 5천만 도에 달하는 극고온으로 가열되어야 하고, 높은 압력 하에서 유지되어야 하며, 핵융합이 일어날 수 있도록 충분히 높은 밀도로 오랫동안 밀폐되어야 합니다.

핵융합은 초고온 플라즈마 상태에서 일어나며, 이러한 플라즈마는 일반적으로 강력한 자석을 이용하여 도넛 모양 또는 환형의 용기인 토카막에 가두어집니다. 이러한 플라즈마를 장기간 안정적으로 유지하는 것은 여전히 ​​어려운 과제입니다.

구글 소유의 AI 기업 딥마인드는 핵융합 스타트업인 커먼웰스 퓨전 시스템즈(CFS) 및 로잔 연방 공과대학교와 협력하여 AI를 활용한 플라즈마 제어 연구를 진행하고 있습니다 . 현재까지 이 협력 연구를 통해 심층 강화 학습이 토카막 내 플라즈마 안정화에 도움이 될 수 있음이 입증되었습니다. 이러한 연구 결과는 CFS의 핵융합 발전 최적화 및 상용화 가속화 연구에 적용될 예정입니다.

한편, 인공지능 칩 제조 대기업 엔비디아와 에너지 및 방위 산업체인 제너럴 아토믹스는 여러 학술 파트너의 지원을 받아 샌디에이고에 있는 DIII-D 국립 핵융합 시설의 플라즈마 거동을 시뮬레이션하는 디지털 트윈 모델을 개발하고 있습니다 . 목표는 실제 손상 없이 원자로를 가상으로 스트레스 테스트하는 것입니다.

이러한 수준의 AI 제어는 EAST가 달성한 "밀도 제로"라는 중요한 이정표를 가능하게 하는 핵심 요소이며, 극단적인 밀도에서도 안정성을 유지하는 데 필요한 밀리초 수준의 정밀도를 제공합니다.

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핵융합 분야의 획기적인 발전

중국이 핵융합 기술의 한계를 넓히는 데 성공한 것은 핵융합 기술이 에너지 전환에 기여할 수 있도록 하는 일련의 획기적인 발전 중 가장 최근의 사례일 뿐입니다.

플라즈마 안정성을 유지하는 것 외에도 연구자들이 직면한 주요 과제는 핵융합 반응을 시작하는 데 필요한 입력 에너지 이상으로 핵융합로의 출력을 높이는 것입니다.

2022년부터 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 핵융합 시설(NIF)은 핵융합을 통한 순 에너지 이득을 꾸준히 향상시켜 왔습니다. 초기에는 레이저를 통해 공급된 2.05MJ의 에너지로 3.15MJ의 핵융합 에너지를 달성했으며 , 이후 NIF 연구팀은 점화 과정을 표준화하여 더 높은 출력을 얻어냈습니다. 2025년 4월에는 점화에 사용된 레이저 에너지 2.08MJ의 네 배가 넘는 8.6MJ의 에너지를 달성했습니다 .

독일의 벤델슈타인 7-X 스텔라레이터에서도 비슷한 진전이 이루어졌습니다. 이 스텔라레이터는 일반적인 토카막과는 약간 다른 기술을 사용합니다. 2023년에는 1.3기가줄의 에너지 변환 효율을 달성하여 해당 기술로는 최고 기록을 세웠습니다. 플라즈마는 8분 동안 유지되었습니다. 2025년 5월에는 에너지 변환 효율이 1.8기가줄로 향상되었습니다 .

프랑스에 건설 중인 새로운 핵융합로인 ITER에 많은 기대가 걸려 있습니다. 34개국이 협력하여 세계 최대 규모의 토카막을 구축하는 이 프로젝트는 순 에너지 이득을 입증하기 위한 다음 단계로 500메가와트(MW)의 핵융합 에너지를 생산하는 것을 목표로 합니다. 그러나 건설 지연으로 인해 연구 운영은 2034년에 시작될 예정이며, 2039년까지 본격적인 핵융합 반응을 달성하는 것을 목표로 하고 있습니다 .

프라이빗 퓨전 준비 완료

연구 시설과 더불어 민간 기업들도 핵융합을 상용화하기 위한 노력을 강화하며 에너지 전환을 가속화하고 있습니다.

커먼웰스 퓨전 시스템즈는 엔비디아와 구글의 투자를 포함하여 실험용 스파크 원자로 개발을 위해 현재까지 약 30억 달러를 모금했습니다 . 최종 목표는 미국 평균 가구 약 28만 가구에 전력을 공급할 수 있는 400MW급 핵융합 발전소를 건설하는 것입니다 .

퍼시픽 퓨전(Pacific Fusion)은 작년에 시리즈 A 펀딩으로 9억 달러를 유치했으며, 오픈AI의 샘 알트만과 소프트뱅크의 지원을 받는 스타트업 헬리온(Helion) 역시 추가 자금을 확보하고 2028년부터 마이크로소프트 데이터센터에 전력을 공급할 예정인 발전소 건설에 착수했습니다 . 독일의 마블(Marvel)은 시리즈 B 투자로 1억 1,300만 유로를 유치 하여 지멘스 에너지 벤처스(Siemens Energy Ventures)와 같은 민간 투자와 유럽 혁신 위원회(EIC) 기금의 공공 투자를 통해 총 3억 8,500만 유로의 자금을 확보했습니다 . 마블은 2030년대 중반까지 핵융합 발전소를 가동하는 것을 목표로 하고 있습니다 .

2026년 다보스 포럼에서 핵융합 경쟁의 또 다른 주자인 프록시마 퓨전의 공동 창립자 겸 CEO인 프란체스코 시오르티노는 이 모든 회사의 목표는 "단순한 실험이 아니라 실제로 에너지 생산을 목표로 하는 원자로 개념을 개발하는 것"이라고 말했습니다.

선구적인 핵융합

공공 및 민간 부문의 노력은 JET 핵융합 연구소를 비롯한 선구적인 연구자들의 초기 연구를 기반으로 하고 있습니다. 정식 명칭은 영국에 위치한 유럽 핵융합 연구소(Joint European Torus) 인 이곳은 유럽 핵 과학자들의 협력체였습니다.

한때 세계 최대 규모이자 가장 진보된 핵융합로였던 JET 연구소는 1983년에 선구적인 실험을 시작했습니다. 핵융합 기술 발전에 크게 기여한 덕분에 40년간 운영되다 2023년 10월에 가동을 중단했습니다 . 같은 해 마지막 실험에서 단 0.2밀리그램의 연료로 69MJ라는 기록적인 에너지를 달성했습니다 .

그 후속 프로젝트는 프랑스의 ITER가 될 것입니다. 영국은 ITER 프로젝트에 참여하고 있지는 않지만, 지난해 핵융합 프로그램에 25억 파운드를 투자하기로 약속했으며 , 이는 기존 투자액에 추가된 것입니다. 이러한 투자에는 노팅엄셔에 있는 실험용 STEP(Spherical Tokamak for Energy Production) 프로젝트도 포함됩니다.

영국 옥스퍼드에 있는 JET 핵융합 연구소의 기록적인 핵융합 반응로 내부 모습이미지: 영국 원자력청(UKAEA), EUROfusion 제공

핵융합 경쟁에서 협력은 핵심입니다.

올해 다보스 포럼에서 프록시마 퓨전의 시오르티노는 "핵융합은 단 하나의 기술이 아닙니다. 여러 가지 핵심 요소를 이해하는 것이 중요합니다."라고 말했습니다. 그는 이러한 요소에는 연산 능력, 초전도체와 같은 소재, 강력한 레이저뿐만 아니라 통합 설계 및 공급망도 포함된다고 덧붙였습니다.

이러한 기술들 중 상당수가 이제 수렴하기 시작하면서 핵융합은 더 이상 실험 단계가 아닌 전력망에 전력을 공급할 수 있는 단계에 가까워지고 있습니다. "하지만 핵융합 분야의 지적 재산권을 통한 가치 창출은 우리가 아마도 새 세기에서 가장 중요한 산업 중 하나를 만들어내고 있음을 의미합니다."

"이것은 매우 흥미로운 생태계이며, 이 생태계는 상당 부분 민관 협력에 크게 의존합니다. 정부는 물러서지 말고 더욱 적극적으로 참여해야 합니다. 그리고 협력은 우리가 성장을 가속화할 수 있는 방법 중 하나입니다."

NIF가 위치한 로렌스 리버모어 국립 연구소의 소장인 킴 부딜은 다음과 같이 덧붙였습니다. "과거에는 핵융합 에너지가 언제쯤 실현될지는 아무도 모르는 '30년 후의 일'이라고 항상 말해왔고, 앞으로도 그럴 것이라고 여겨왔습니다. 하지만 이제는 더 이상 그렇지 않다고 생각합니다."

"하지만 기대치를 조절해야 합니다. 핵융합은 어려