일본산업뉴스요약

상온 핵융합을 목표로 주부대학 등이 오랜 과제 해결
촉매 반응을 최초로 관측

핵융합을 효율적으로 일으키는 혁신적인 연구가 추진되고 있다. 주부(中部)대학 등으로 구성된 연구 그룹이 특수 촉매를 사용해 핵융합이 일어나는 조건을 완화하는 기술을 개발하고 있다. 이 기술을 응용하면 1억 ℃ 이상의 고온 조건이 필요한 것으로 알려진 핵융합을 상온에서 일으킬 수 있을 가능성이 있다.

주부대학과 도호쿠(東北)대학을 중심으로 한 국제 공동 연구 그룹은 소립자인 뮤온(μ)을 촉매로 하는 핵융합(뮤온 촉매 핵융합, μCF)의 전 단계 반응 과정(공명 상태)을 세계 최초로 직접 관측했다. 촉매인 뮤온이 수소의 핵융합을 촉진하기 직전 단계에서 지금까지 고려되지 않았던 새로운 반응 과정을 거친다는 사실을 확인했다.

이번 성과를 통해 뮤온 촉매 핵융합에 있어서의 오랜 과제였던 이론과 실험의 불일치를 해소할 수 있다. 향후, 보다 적은 에너지로 고효율 핵융합을 실현하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 국제 공동 연구 그룹은 2029년까지 핵융합로 설계에 필요한 기반 기술을 확립할 계획이다.

-- 핵융합로 구조를 간소화 --
현재, 세계적으로 연구가 진행 중인 핵융합은 고온의 플라즈마를 자기장으로 가두고, 그 안에서 원자핵들을 충돌시켜 핵융합을 일으키는 방식이 주류이다. 거대한 자기장 코일과 진공 용기가 필요해 설비 투자 규모가 커지는 것이 해결 과제로 지적되고 있다.

뮤온 촉매 핵융합은 고온의 플라즈마를 생성·유지하기 위한 대규모 설비가 불필요해 핵융합로 구조를 간소화할 수 있을 것으로 전망된다. 뮤온은 연료가 되는 수소 동위원소(중수소 등)의 원자핵들이 서로 가까워지게 하는 성질을 가지고 있어, 촉매로 사용하면 핵융합이 일어나기 쉬워진다. 반응 후에 방출된 뮤온은 다시 핵융합을 반복해서 일으키는 촉매로 작용한다.

주부대학 이공학부의 오카다(岡田) 교수는 뮤온 촉매 핵융합에 대해 "현재 상태에서 반응 속도를 10배 정도 더 높이고 싶다"라고 말한다. 현시점에서의 반응 속도로 얻을 수 있는 에너지는 상용화 수준에는 미치지 못하지만, "(고속화할 수 있는) 길은 열려 있다"라고 말한다. '패스트 트랙'이라고 불리는 핵융합에 이르기까지의 사이클 속도를 높이는 반응이나, 뮤온 생성에 필요한 에너지를 억제하는 기술을 통해 에너지 효율을 상용화 수준까지 끌어올릴 계획이다.

연구 그룹은 2050년경에 뮤온 촉매 핵융합을 실현하는 것을 목표로 연구 기관들과 협력하여 개발을 추진하고 있다. 예를 들어, 고에너지가속기연구기구(KEK) 및 이화학연구소(理化学研究所)와 협력해 뮤온을 생성하기 위한 입자 가속기 기술을 검증한다. 요소 기술을 개발해 2030년에 뮤온 촉매 핵융합의 반응 메커니즘을 검증하고 초기 단계의 실증에 착수한다.

뮤온 촉매 핵융합 실험은 주로 이바라키(茨城)현 도카이무라(東海村)에 위치한 대강도 양자 가속기 연구시설(J-PARC)에서 실시된다. 고강도 뮤온 빔 제어 기술과 고정밀 관측 기술을 통해 뮤온 촉매 핵융합의 반응 메커니즘 규명을 목표로 하고 있다.

-- X선을 통해 뮤온 분자의 공명 상태를 세계 최초로 관측 --
음의 전하를 가진 뮤온은 전자와 유사한 성질을 가지고 있어 수소 원자의 전자를 대체하면 '뮤온 원자'라는 상태가 된다. 뮤온 원자는 원자 반경이 작아 다른 원자에 쉽게 접근하여 결합해 '뮤온 분자'가 된다. 뮤온 분자를 형성함으로써 핵융합 반응을 일으킬 수 있다.

뮤온 촉매 핵융합을 효율적으로 일으키려면 뮤온 원자나 뮤온 분자를 신속하게 생성하는 것이 핵심이다. 그러나 뮤온 분자가 생성되기까지의 반응 과정은 오랜 기간 이론과 실험이 일치하지 않았고, 뮤온 분자의 공명 상태의 역할도 규명되지 않았다.

연구 그룹은 뮤온 촉매 핵융합에서 중요한 역할을 담당하는 뮤온 분자의 공명 상태를 "최초로 확인했다”(오카다 교수)라고 한다. 이번 성과로 뮤온이 핵융합 반응에서 담당하는 역할을 정확하게 평가할 수 있게 된다. 이번 연구 성과는 2026년 4월 16일(일본 시간)에 미국 과학 저널 'Science Advances'에 게재되었다.

뮤온 분자의 공명 상태 관측에는 높은 에너지 분해능을 가진 TES(초전도 전이 에지 센서) 검출기가 사용되었다. 뮤온 분자의 공명 상태에서 유래한 X선 성분을 다른 상태와 구별하여 관측하는 데 성공했다.

뮤온 분자는 곧바로 핵융합을 일으키는 '기저 상태'와, 핵융합을 일으키지 않고 바로 해리되는 '공명 상태'라는 두 가지 상태를 취하고 있다. 공명 상태의 뮤온 분자는 안정적인 상태로 변할 때 X선 등의 방사선을 방출하며 붕괴한다. 연구 그룹은 이론적으로 뮤온 분자의 공명 상태를 포함한 새로운 반응 경로를 고려함으로써 실험과 일치할 가능성을 밝혀냈다.

이번 연구는 일본 정부가 연구개발비를 지원하는 문샷(Moonshot)형 연구개발 사업의 채택 테마로, 고효율 핵융합 발전을 위한 장기적인 연구개발을 상정하고 있다.

-- 끝 --

Copyright © 2026 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.