핵융합 과학기술의 현황

첨단, 정밀가공 제어기술, 열 병합 기술 등이 발전함에 따라 이들을 융합한 기술에 관심이 생기게 된다. 기술선진국은 이미 연구소를 만들고 연구를 장려해오고 있다. 융합기술 중 핵융합을 소개한다.

핵융합이란, 중수소(重水素, Heavy Hydrogen or Deuterium, 수소의 안정 동위체중 원자핵이 양자 1개와 중성자 1개로 구성)와 삼중수소(Tritium, 三重水素) 등의 경 원소 원자핵 끼리 융합해서 헬륨(Helium)등 보다 무거운 원자핵으로 변환 반응함을 말한다.

*주(註):
중수소는 수소원자에 비해 2배의 질량 이므로 화학 반응도 다른 중수소 2개를 핵 융합하면 삼중수소와 헬륨(Helium은 태양의 광 빛스펙트럼 속에서 처음으로 발견했을 때부터, 그리스 신화의 태양신(HELIOS)에 연관시켜 「Helium」라 명명하게 되었다)이 생성(生成)되는 막대한 에너지가 방출된다. Helium은 무색무취, 불연성가스로 대기 중에 약 5.2ppm이 존재하고 있다. 화학적으로는 완전 불활성으로 통상의 상태에선 타 원소, 화합물과 결합하지 않는다.

미국, 일본, 중국 등의 차세대 에너지 기술연구 그룹들은 이 기술의 실현을 목표로 연구를 한창 진행 중이다. 핵융합 발전의 실현을 목표로 연구가 행해지고 있는 것이다. 2020년도에 플라스마(Plasma)의 이온과 전자의 온도가 공히 ‘1억℃’라는 마일스톤(Milestone)을 달성해서 핵융합연구는 다음 단계의 위상에 들어갔다고 할 수 있다. 이는 자연과학연구의 놀랄만한 진화라 할 수 있다. 태양을 포함한 항성은 수소원자핵의 융합에 의해 빛을 만들어내고 있다. 이 현상을 지상에서 사용되는 에너지원으로 개발하자는 연구가 진행되고 있는 것이다.
원자력발전은 무거운 원자핵이 가벼운 원자핵으로 변환되는 핵분열반응을 쓰게 되는데, 그때 수명이 긴 높은 방사능성 폐기물도 대량으로 배출하게 된다. 기존의 원자력발전에서는 가벼운 원자핵들끼리 충돌해서 무거운 원자핵이 되어 운동에너지가 원자로 속에서 연료를 핵분열시켜 발생하는 열에너지를 써서 물을 증기로 변환시키고, 그때 발생하는 증기에 의해 터빈을 돌려 발전기로 전기를 만들게 한다. 로심(炉心)은 연료와 제어봉 등으로 구성되어 있고. 물로 채워져 있다. 물은 핵분열로 발생한 열을 로심으로 외부에 취출해 냉각재와 로심의 연료봉과 냉각수에 보내 원자로의 기동과 정지, 출력의 증감, 제어봉의 출입, 1차 냉각수 중에 녹아있는 붕산(硼酸:boric acid)의 농도를 변화시켜 제어하고 있다.
핵분열에서 우라늄과 플루토늄 농축우라늄이 원자력 발전의 연료인데, 핵무기는 이 연료의 핵융합반응에서 방출되는 팽대한 에너지에 의한 폭풍, 열방사와 방사선 효과의 작용을 파괴에 이용하는 폭탄인 것이다. 핵융합발전에는 초고온의 플라스마를 장시간, 안정한 유지가 필요로 한다. 일본 ‘핵융합과학연구소’의 ‘Katsumi Ida(居田 克巳)’교수 연구소에서는 코일을 나선형으로 구부린 도넛형 자장을 만들어 플라스마를 만들고, 이를 용기 속에 밀봉해 세계최대급의 「Large Helical Device (LHD)」를 사용하여 고온의 플라스마를 만드는 연구를 하고 있다.
2021년 ４월 Katsumi Ida 연구그룹은 「수소동위체혼합플라스마의 난류」와 「돌발형 불안정성」이라는 2개의 연구 성과를 발표했다. 난류는 플라스마 속에 생기는 소용돌이라 했다. 지금까지 온도 상승을 방해하던 요소를 제거하게 된 것이었다. 장래 핵융합벌전의 연료로 사용하는 중수소와 삼중 수소를 경수소와 중수소를 모의하는 수소동위체혼합 플라스마의 물리실험으로 난류가 플라스마를 휘저어 뒤섞어 동위체를 균일하게 하는 플라스마효과가 있음을 발견한 것이다.
핵융합반응은 태양을 비롯해서 별이 생산하는 에너지의 원을 비롯한 별들이 생산하는 에너지원, 수소 등 가벼운 원자종 등이 융합하며 중원자로 변할 때, 생산되는 팽대한 에너지가 발생한다. 핵융합반응의 연료가 되면 중수소와 리튬은 해수에도 많지는 않지만 작지 않게 포함되어 있다. 이 반응을 이용한 핵융합발전의 지속을 가능케 해 이산화탄소(CO₂)도 배출하지 않는 꿈같은 에너지로 실용화가 선명해졌다고 한다.

2020년도에 플라스마의 이온과 전자의 온도가 공히 「‘1억℃’ 달성은 핵융합 발전의 실용화에 한발 진전이었으나, 지금은 해야 할 과제를 발견하고 이를 명확하게 정리(Clear)하는 연구가 진전되고 있는 단계」라고 하겠다. 핵융합방식연구는 「헬리컬 방식」 외 플라스마 속에 전류를 흐르게 하는 「토카막 방식」, 레이저용으로 「레이저 방식」이 있으나, 각기 온도와 지속시간 등에 일장일단이 있다. 현 단계로는 완전하게 우수하다고 할 수는 없지만, 핵융합발전의 최대의 매력은 연료가 지역에 편재하지 않은 것이다. 그러나 해수에서 리튬을 취출하는 것에는 큰 비용이 필요해 실용화에는 국가정책으로 추진하는 것이 불가결하다고 하겠다.
한편, 핵융합반응의 응용은 발전뿐 만이 아니라 반응의 과정에서 생기는 중성자를 이용해 양전자방사단층촬영(PET)에 사용되는 짧은 수명의 방사성 물질과 의학 분야에서 잠재용도가 크다. Ｘ선이 통하지 않아는 검사 등에 응용될 수 있다. 플라스마의 성질은 아직 충분히 해명되어 있지 않으나, 단지 세상에는 물성물리가 완전히 이해되어 있지 않아도 실용화된 것이 있다. 플라스마를 어디까지 이해하면 제어 할 수 있는지를 확실히는 다 모른다(Katsumi Ida, 일본핵융합연구소). 5.2억도(℃)라는 세계최고온도에서 고온고밀도 상태의 플라스마를 만들 수 있다는 것만으로도 미래는 매우 양양한 것이다. 자본이 충분한 자본가는 이 분야에 투자를 생각해볼 필요가 있지 않은가? 핵융합개발에 대해서 플라스마연구소가 해내는 역할은 크다. H-mode의 발견을 위시해서 시작한 플라스마를 단점개선이 연소실험로에서 사이즈와 비용의 저감에 있다고 한다.

*주(註):
토카막형(Tokamaks) 핵융합장치에서 플라즈마는 특정 상태에 도달하였을 때 플라즈마 입자 및 에너지 가동 성능이 L-mode에 비해 급격히 향상되는 경향을 보인다. 이를 H-mode라 한다.

유럽의 핵관련연구소에서 만든 ‘EUROfusion’은 핵융합의 실험에서 과거의 2배의 에너지를 발생하게 되었다고 지난 2월 9일 발표했다. 청정발전에 연계되는 획기적인 결과라 하고 있으며, 일본정부도 핵융합 연구개발에 관한 전략방침을 정해 2050년을 목표로 핵융합발전이 가능한 자국산의 실증원형로 운전개시를 목표로 연구활동을 진행 중이다.
핵융합실험은 영국 옥스포드 근교에 있는 핵융합실험장치(Joint European Torus, JET)에서 실행했다. 결과는 59 mega joule／MJ로 1997년의 기록의 2배 이상에 달했다고 한다. 영국 원자력에너지청의 CEO인 Ian Chapman (Univ. of Bolton 교수) 은 ‘이번의 이 획기적인 성과로 과학과 공학 간의 최대의 간격을 극복하는데 크게 접근할 수 있게 되었다.’고 말하고 있다. 핵융합은 태양의 내부에서 일어나고 있다. 지구상에서의 재현이 되면 저탄소 에너지를 대량으로 만들어낼 수 있다고 한다. 현재의 원자력 발전과 달아 높은 수준의 방사성폐기물도 나오지 않는다고 했다. 단지 실용화에는 20년 이상의 세월이 필요하다고 한다.
영국 BBC는 정부가 목표로 삼는 50년까지 온난화가스 배출량을 실질적으로 ‘0(Net Zero)’으로 하는 목표가 절대적인 해결책으로는 되지 않는다고 지적하며, 난점 해결에 노하우가 필요하다고 했다. 즉 경험적인 지식이 필요하다는 것이다. 미국에서는 핵융합 벤처에의 투자가 확대대고 있다. 물론 장래성을 보고하는 것이다. 영국은 40년 안에 원형로의 건설을 목표로 하고 있다. 일본도 핵융합연구개발에 힘을 두고 50년을 목표로 자국의 실증로의 운영 개시를 목표로 하고 있다. 미‧영‧일‧중 주요국 지역이 참가하는 국제열핵융합실험로(ITER)에서 축적한 기술을 최대한 활용할 예정이다.
다만, 주의해두고 싶은 것은 가동시키기 위한 에너지 입력이 핵융합의 에너지 출력보다 훨씬 크다는 점이다. 또한, 에너지적으로도 적자 상태라는 것이다. 오는 2025년 예정되어 있는 실험에서 입력과 출력 간의 ‘흑자’ 전환이 되면 겨우 실용화의 길이 보이게 된다는 점이다. 그럼에도 불구하고 현재 기술의 정도는 실용을 전환하는데에 큰 한 발의 난국을 넘었다고 할 수 있다.

일본에는 과학 부문에서 노벨상을 다수 배출한 대학이 대표적으로 두 곳이 있다. 도쿄대학(The University of Tokyo)와 교토대학(Kyoto University)이다. Satoshi Konishi(小西 哲之)교수는 교토대학의 교수로 핵융합로의 연구에서 세계 톱클래스의 기술을 가진 교수이자 기업인이다. 그는 정기교환이 필요한 주요장비를 세계 여러곳의 메이커에 공급하고 있으며, 이 분야의 비즈니스 모델을 지향하는 교수라 하겠다.
교토대학 벤처기업으로 시작한 Kyoto Fusioneering의 CTO이며, 핵융합로의 주요장치인 Blanket 개발과 생산을 비롯해 미래 기술 적용에 대한 비즈니스 확립을 목표로 하고 있다. ‘이 부품에는 어떤 재료가 맞는지, 이 실험에는 어떤 장치를 만들면 좋은지, 수년이 경과되어 교체하여야 하는 소모품’ 등을 엔지니어링하여 지속적인 비즈니스가 되도록 한다는 것이다. 그런 의미에서는 기후변동의 피해가 절박해진 2010년 대반으로부터 이산화탄소를 배출하지 않는 핵융합원자로 비지니스가 성행하게 되었다. 미국의 Google, Amazon의 창업자 Jeffrey Preston Bezos, Microsoft 창업자 Bill Gates 등으로부터 투자를 받아 자금을 투입하고, 40-50사의 Startup이 탄생되는 등의 흐름 속에서 Kyoto Fusioneering도 세계의 흐름에 따라 같이 투자하고 있다. 이 회사에서는 Konishi 교수 외에도 플라스마 가열에 사용되는 마이크로파 발생 진공관 ‘Gyrotron의 세계적 권위자인 Keiji Sakamoto(坂本 慶司)도 재직하고 있어 세계의 우수과학자들이 모인 회사로 알려진 것 또한 특징이다. 2019년 10월 회사 설립 후, 최초로 수주한 일은 같은 해 12월 유럽의 Startup로 부터의 의뢰였다. 블랭킷(Blanket)의 설계컨설팅 업무였다. 커뮤니케이션, 연구 계획, 전략을 조언하는데, 거의 1년 걸려 약 100페이지의 서류가 납입되어 있다.

핵원자로라 하면 원자력과 같은 분류(Categories)으로 말할 때가 많다. 그러나 그 중심을 보면 매우 다르다. 전력공급이 정지되면 핵융합의 반응도 정지하게 됨으로 안정성은 원자력보다 성능, 안정성 등에서 훨씬 높은 수준의 기술에 도달해 있다. 위에서 서술한 초고온 중수소와 삼중수소를 이용하여 태양내부와 같은 에너지 생성연구에서의 성과를 올리고 있는 Konishi 연구실과 생산 및 장비 등에 선두주자로 뛰고 있는 Kyoto Fusioneering도 이미 2019년부터 상호연계하여 연구 및 비즈니스를 시작하고 있다. 이미 현실화의 단계에 들어간 것이라고 할 수 있다. 핵융합로가 미래세상의 주력 발전수단이 되었을 때 그 중심에 자사가 서있는 날이 올 것이라고 힘을 내고 있다.