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Nikkei X-TECH_2024.4.15

방사선 위험이 없는 핵융합 발전 개발
일본대학·쓰쿠바대학 발(發) 신흥기업 ‘리니어이노베이션’이 도전

핵융합을 이용한 안전한 에너지 공급을 목표로 하는 새로운 기업이 등장했다. 2023년 9월에 창업한 핵융합 스타트업 ‘리니어이노베이션’(LINEA, 도쿄)은 독자적 방식의 핵융합 기술을 개발하고 있다. 방사선 위험이 없는 이 회사의 기술은 차세대 에너지원으로 기대가 높다.

리니어이노베이션은 일본대학과 쓰쿠바대학 발 스타트업이다. 두 대학이 다년간 쌓아온 핵융합 기술을 기반으로 각각의 장점을 활용한 효율적인 핵융합로를 개발하고 있다. 발전에 이용할 수 있는 상용 핵융합로의 실현을 목표로 2030년대 전반에 핵융합에 의한 발전 실증을 목표로 하고 있다.

-- 두 대학의 강점을 활용한 핵융합 방식 --
리니어이노베이션의 기술은 일본대학의 FRC(자기장반전배위)형 가둠 방식과 쓰쿠바 대학의 자기거울(탠덤미러)형 가둠 방식 원리를 결합한 것이다. 두 가지 모두 자기장으로 플라즈마를 가둬 그 안에서 핵융합을 일으키는 방식이다. 이 두 방식을 조합함으로써 플라즈마의 가둠 효율을 높일 수 있어 점화가 어려운 특수한 핵융합을 일으킬 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

FRC형 가둠 방식은 원통형 용기 안에서 자기장에 의해 타원형의 플라즈마를 생성하고, 양 끝에 있는 2개의 플라즈마 덩어리(플라즈모이드)를 용기 중앙부에서 고속 충돌시킴으로써 고온∙고밀도의 플라즈마를 생성한다. 또한, 그 중심부에 빔을 입사(入射)해 과열함으로써 핵융합을 일으키기 쉽다. 한편, 플라즈마의 제어가 어렵다는 과제가 있다.

탠덤미러형 가둠 방식은 직선형의 자기장을 이용하는 것으로, 플라즈마를 자기장과 정전기장으로 중심부에 가둔다. 플라즈마를 구성하는 이온과 전자가 양쪽 자기장에서 튕겨져 나오는 모습이 거울로 빛을 반사하는 것과 비슷해 미러형으로 불린다. 양 끝에서의 전력 손실을 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 플라즈마의 고밀도화 등의 과제가 있다.

이 두 방식을 조합하면, 고밀도 타깃 형성(FRC형의 장점)과, 고에너지 이온 가둠(미러형의 장점)의 양립이 가능하게 된다. 이미 각각의 방식은 핵융합 실증 등의 실적이 있기 때문에 이 두 방식으로 이루어진 리니어이노베이션의 새로운 방식은 “기술적인 우위성과 실현성이 있다”라고 리니어이노베이션의 대표이사인 사카모토(坂本) 쓰쿠바대학 수리물질계 교수·플라즈마 연구센터장은 말한다.

핵융합에는 여러 방식이 있으며, 각각 장단점이 있다. 예를 들어, 자기장 가둠 방식의 토카막형이나 그와 유사한 헬리컬형은 도넛 모양의 플라즈마를 장시간 유지해 핵융합을 연속적으로 일으킬 수 있어 정상 운전이 가능하다.

한편, 설비 규모가 커지고 복잡해져 유지보수성이 나쁘다고 하는 과제가 있다. 레이저로 연료를 폭발시켜 핵융합을 일으키는 레이저 핵융합 방식은 작은 핵융합을 연속적으로 일으킴으로써 수요에 따른 발전이 가능하다. 하지만, 레이저 개발의 기술적 장벽이 높아 개발 기업은 한정되어 있다.

-- 방사선 위험이 없는 핵융합 --
많은 기업 및 연구 단체들이 실증을 목표로 하는 핵융합은 중수소(D)와 삼중수소(T)를 사용하는 DT 핵융합이다. 점화하기 쉽다는 장점은 있지만, 연료에 방사선 리스크가 있는 삼중수소를 사용한다는 점, 반응 시 방사선의 일종인 중성자선이 방출된다는 점 등으로 인해 안전 대책이 필요하다.

한편, 리니어이노베이션이 목표로 하는 것은 ‘선진 연료 핵융합’이라고 부르는 방사선 리스크가 없는 안전한 핵융합이다. 헬륨3(³He)나 붕소11(¹¹B)과 같은 선진 연료를 사용하면 중성자를 거의 방출하지 않는 핵융합을 실현할 수 있다. 특히 수소 원자(양성자, p)와 붕소 11을 반응시키는 4세대 연료(p¹¹B)는 천연자원으로 쉽게 조달할 수 있다.

이처럼 안전성이 높은 선진 핵융합이지만, DT 핵융합과 비교해 점화하기가 매우 어렵다. 섭씨 수억~10억 도의 고온 환경과 높은 자기장 가둠 효율(고(高) 베타) 등, 여러 가지 조건을 충족시킬 필요가 있다.

리니어이노베이션은 플라즈마에 고에너지의 빔을 조사하는 방식으로 기존에 비해 낮은 온도에서도 점화할 수 있도록 연구하고 있다. 핵융합 스타트업인 미국 TAE테크놀로지스도 마찬가지로 FRC형의 핵융합에 빔을 이용하는 연구를 추진하고 있다.

-- 간단한 핵융합로와 발전 설비 --
선진 연료 핵융합에서는 하전입자를 생성하기 때문에 증기터빈을 사용하지 않고도 발생된 에너지를 직접 전력으로 변환할 수 있다. 대형 발전 설비가 불필요하고, 발전 효율을 높일 수 있다. 리니어이노베이션은 실증 거점을 조기에 구축해 2030년대 전반에 직접 에너지 변환에 의한 발전을 실증할 계획이다.

선진 연료 핵융합은 프랑스에서 건설되고 있는 국제열핵융합실험로(ITER)와 같은 방식과 비교해 방사선 위험이 없고 핵융합로도 소형화할 수 있어, 전력 수요지 근처에 핵융합로를 설치할 수 있다는 것도 강점이다.

도시에서 멀리 떨어진 곳에 대형 발전소를 설치하고 송전선이나 변전소 등을 통해 전력을 보내는 방식에 비해 인프라 정비와 전력 손실도 적다. 하지만, 플라즈마를 장시간 유지하는 것이 어렵기 때문에 수요에 따라 핵융합을 반복적으로 일으켜 발전에 이용하는 것을 상정하고 있다.

리니어이노베이션 대표이사인 일본대학 이공학부 물리학과의 아사이(浅井) 교수는 “수요에 따라 발전할 수 있는 리니어이노베이션의 핵융합 발전은 베이스 로드 전원과 상성이 좋아 서로 보완할 수 있다”라고 말한다.

리니어이노베이션은 일본대학 및 쓰쿠바대학과의 공동 연구를 통해 필요한 요소 기술의 실증을 향후 2~3년간 추진. 또한 자사의 독자적 개발 거점을 대학 외에도 새롭게 구축해 핵융합의 실험 설비를 건설해나갈 방침이다.

-- 우주 사업에 대한 기대도 --
리니어이노베이션은 핵융합 기술을 응용함으로써 미래는 우주 대상 사업에도 참가한다는 구상도 그리고 있다. 핵융합으로 생긴 입자의 운동에너지를 방출하면 로켓의 추진력으로 이용할 수 있고, 전력 등 에너지원으로도 이용할 수 있다. 고속의 플라즈마 플로우를 생성해 우주 환경을 재현하는 응용 방법도 검토하고 있다.

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