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Nikkei Electronics_2023.7 Hot News (p10~14)

핵융합에 제3의 방식 부상
2024년 발전 개시 추진, 상용 운전은 빨라도2028년?

최근 들어 갑자기 주목 받기 시작한 핵융합발전 기술이지만 실용화는 빨라도 2030년대 중반, 다소 보수적인 평가에서는 2050년이나 그 이후라는 시각도 많다. 하지만 최근 2024년에 발전을 개시하겠다는 벤처기업이 등장했다.

그것은 지금까지 잘 알려진 2가지 방식은, 구체적으로는 일본을 포함한 수많은 국가들이 개발에 참여해 프랑스에서 건설 중인 ITER와 같은 토카막 방식과 2022년 11월 미국에서 레이저광 에너지를 뛰어넘는 핵융합 에너지를 얻는 데 성공한 레이저 핵융합 방식이다.

그 어느 쪽도 아닌 제3의 방식은 'FRC(Field-Reversed Configuration, 자기장반전배위)형 플라즈마'에 기반한 핵융합 반응으로, 중성자를 발생시키지 않아 안전성이 높고 간소한 설비, 더 나아가 증기터빈을 사용하지 않고 발전할 수 있는 혁신적인 방식이다.

-- 2개의 플라즈마가 고속으로 충돌 --
이 FRC형 플라즈마 방식에서는 도넛 형태의 자력선에 갇힌 플라즈마를 2개 발생시킨다. 이 2개의 플라즈마는 각각 자석의 성질을 가지고 있어 리니어모터(직선형 전동기) 원리로 움직일 수 있다. 이것들을 고속으로 충돌시켜 초고온을 실현하고, 그 ‘연료’를 핵융합시키는 방식이다.

플라즈마를 발생시키는 부분은 토카막 방식과 비슷하지만, 두 개의 높은 에너지를 충돌시켜 핵융합을 일으키게 한다는 점은 ‘관성 밀폐 방식’으로도 불리는 레이저 핵융합과 비슷하다. 하지만 플라즈마를 고속 이동시킨다는 점, 2개의 플라즈마의 자력선에 역상 성분이 있어 충돌 시 그것들이 상쇄되어 높은 온도가 되는 점은 유사 기술이 없어 이 방식만의 독자적 방법이라고 할 수 있다.

-- 중성자를 방출시키지 않아 --
FRC형 플라즈마 방식의 특징은 크게 3가지이다. (1) 토카막 방식의 플라즈마에 비해 훨씬 약한 자기장에서 높은 압력의 플라즈마를 가둘 수 있다 (2) (1)의 결과로 이론상으로는 보다 고온의 플라즈마를 실현할 수 있고, 핵융합 반응을 통해 고속 중성자를 배출하지 않는 ‘연료’를 사용할 수 있다 (3) 발전 시에는 증기로 터빈을 작동시키는 것이 아니라 코일에 플라즈마를 통과시킴으로써 전자유도에 의해 발전한다.

(1)는 장치를 콤팩트하게 할 수 있다는 장점으로도 이어진다. (2)의 고속 중성자가 배출되지 않는다는 점은 이 방식이 실용화에서 기존의 2가지 방식보다 앞설 가능성으로 이어진다. 기존의 핵융합 방식에서는 핵융합으로 방출되는 초고속 중성자로 인해 노벽(爐壁)이 방사화되는 것이 큰 과제였다. 이 방사화에 견딜 수 있는 노벽 재료 개발 전망이 어두워 실용화의 큰 장벽 중 하나가 되고 있다.

특히, 실험로 건설은 중성자 대책에 예산을 많이 들이지 못해 결과적으로 핵융합 실험을 쉽게 실시할 수 없다는 악순환이 이어지고 있다. 현시점에서 대부분의 토카막 방식 또는 그 업그레이드 버전의 실험로는 핵융합을 일으키지 않는 모의연료로 플라즈마의 온도를 높이는 실험을 하고 있다.

ITER에서 플라즈마를 이용한 실험이 2025년에 시작될 예정인데 반해, 핵융합 실험 개시는 그 10년 후인 2035년으로 되어 있는 것도 이러한 이유다. 반면, 핵융합 반응에서 중성자가 나오지 않을 경우, 핵융합 실험의 문턱이 크게 낮아진다. 핵융합로의 구조도 매우 간소해지는 등 이점이 많다.

(3)의 증기터빈으로부터의 ‘졸업’은 태양광발전이나 풍력발전을 제외하고 발전 기술의 개발사에 큰 전환점이 된다. 구체적으로는 발전 효율이 크게 높아질 가능성이 있다. 증기터빈은 증기에너지의 최대 40~60% 정도밖에 전력으로 변환할 수 없지만, 새로운 방식의 발전 효율에 대해서는 아직 밝혀지지 않은 부분이 많다.

이러한 FRC형 플라즈마 방식을 개발하는 벤처기업 중 하나가 미국의 TAE Technologies이다. 이미 제5세대 실험장치를 개발해 2~3년 후에는 제6세대 장치 'Copernicus'도 가동할 수 있을 것으로 전망된다.

TAE Technologies에는 일본 출신의 저명한 플라즈마 연구자로, 일본원자력연구개발기구 및 간사이(関西)광과학연구소의 소장 등도 과거에 역임, 현재는 미국 University of California Irvine, Norman Rostoker Chair professor인 타지마(田島) 씨가 CSO(최고 과학 책임자)를 맡고 있어 일본과의 관계도 깊다.

TAE Technologies는 미국의 Goldman Sachs, Google, Chevron 등 세계적인 기업들으로부터 자금 또는 기술적인 협력을 얻고 있는 것 외에도 2021년 9월에는 일본에서 헬리컬(Helikeol) 방식의 플라즈마실험로(LHD)를 개발하고 있는 핵융합과학연구소(NIFS)와 기술 제휴를 했다.

-- 반응은 이상적이지만 실현은 매우 어려워 --
TAE가 목표로 하는 것도 중성자를 배출하지 않는 핵융합으로, ‘연료’에는 일반적인 수소이온(p)과 천연으로 산출하는 붕소(¹¹B)를 이용할 계획이다. 반응식은 p+11B→3⁴He이온. ⁴He이온은 입자라고도 불린다. 이것이 TAE의 설립 초기 회사명인 Tri Alpha Energy의 유래이기도 한다.

선의 에너지도 결코 낮은 것은 아니지만, 중성자보다 훨씬 취급하기 편하다. 선은 대전(帶電)되어 있기 때문에 빠져나가는 물질과 쉽게 충돌하기 때문이다. 구체적으로는 종이 한 장, 물의 경우 몇 mm로 멈출 수 있다.

하지만 이 ‘p- ¹¹B’ 반응은 전세계 많은 토카막 방식이나 레이저 핵융합에서 상정되고 있는 중수소(D)와 삼중수소(T)의 D-T 반응에 비해 실용적인 핵융합 발전에 필요한 플라즈마 온도가 약 10억 ℃ 또는 그 이상으로, 거의 한 자릿수 더 높다. 중성자를 배출하지 않는다는 장점이 있는 반면, 애초에 반응을 일으키는 것 자체가 쉽지 않다.

-- 일본 기술로 p-¹¹B 반응 확인 --
올 2월, 이러한 문제의 해결 가능성이 나왔다. TAE와 NIFS의 공동 연구에서 자기장으로 가둔 플라즈마 속에서 p- ¹¹B 반응을 일으킬 수 있다는 것을 세계 최초로 실증했기 때문이다.

이 실증은 NIFS의 플라즈마실험로에 TAE가 개발한 알파 입자의 검출기를 도입함으로써 실현되었다. 보다 구체적으로 말하면, NIFS는 이전부터 플라즈마 중 철(Fe) 등의 불순물을 제거하기 위해 ¹¹B의 분말을 플라즈마에 뿌리는 기술을 개발하고 있었다. 플라스마를 가열하기 위해 p와 중성입자를 넣은 중성입자 빔 입사장치(NBI)도 개발하고 있었다. p- ¹¹B 핵융합과는 다른 목적으로 개발한 장치가 우연히 핵융합 검증에도 사용될 수 있었던 것이다.

그리고 NIFS의 플라즈마실험로에서는 10억 ℃라는 온도의 플라즈마 자체는 실현할 수 없지만, 160킬로전자볼트(keV)의 중성입자 빔 입사장치로 p의 입사 속도를 1,500만km/시 이상으로 높일 수는 있었다.

이러한 조건이라면 플라즈마실험로에서 p- ¹¹B  반응이 1초 당 10¹⁴회 발생한다는 계산이 나왔고, 실제로 이것을 실행해 생성된 고에너지 입자를 검출할 수 있었다. 이것 역시 p- ¹¹B 반응이 중성자를 배출하지 않는 반응이기 때문에 가능했다고 할 수 있다.

사실, TAE의 FRC형 플라즈마 방식 장치에서도 충돌시킨 플라즈마를 일정시간 안정되게 유지하기 위해 중성입자 빔 입사장치를 이용한다. 현재로서는 최대 40keV로, NIFS의 것에 비해 약하지만, 2025년경에 가동되는 차세대 장치인 Copernicus, 더 나아가 그것의 차세대인 ‘Da Vinci’에서는 이 중성입자 빔 입사장치를 대폭 증강시킬 계획이라고 한다.

즉, 이번 플라즈마실험로의 성과가 거의 그대로 TAE의 장치에도 활용될 수 있다는 것이다. 이에 따라 반드시 플라즈마 온도를 10억 ℃ 이상으로 높이지 않아도 p- ¹¹B  반응을 일으킬 수 있을 가능성이 나왔다.

-- 2024년에 FRC형으로 발전 --
TAE의 Da Vinci는 상용화를 염두에 둔 장치로, 2030년대 초반에 가동될 예정이다. 한편, 미국에는 TAE의 라이벌 기업이 적어도 2곳 있다. 그 중 하나인 MSNW는 이른바 스텔스 모드로 개발 진척을 공개하지 않고 있다.

다른 하나인 Helion Energy는 2009년에 설립된 곳으로, TAE보다 11년 늦게 출발했지만, 장치 세대는 TAE보다도 1세대 앞선 제6세대. 즉, TAE의 약 2배의 개발 스피드로 실용화를 향해서 매진하고 있다. 2021년 6월에는 민간기업으로는 세계 최초로 핵융합 상정 실험로에서 1억 ℃를 달성했다고 발표했다.

또한 2024년에 가동할 예정인 제7세대 장치 ‘Polaris’를 통해 세계 최초의 실질적인 핵융합 발전을 실현할 수 있다고 주장하고 있다. 하지만, 발전 코스트 등의 점에서 상용화할 수 있는 것은 2020년대 말이 될 것이라고 한다.

TAE와의 기술적인 차이는 크게 3가지가 있다. (i)플라즈마를 충돌시킬 때 플라즈마를 압축한다 (ii)충돌 후에는 플라즈마를 일정시간 유지하려 하지 않고 충돌 순간에만 핵융합시키고 그것을 고속으로 반복한다 (iii)’연료’는 당분간은 p와 ¹¹B가 아니라 D와 헬륨3(3He)이다. 이것 역시 중성자가 배출되지 않는 반응이다.

-- 연료인 헬륨3는 달에서 채굴? --
이러한Helion의 움직임에는 2가지 우려가 있다. 하나는 (ii)의 방법을 이용하기 때문에 TAE와 달리 중성입자 빔 입사장치 이용을 상정하고 있지 않다는 점이다. D-³He 반응은 p-¹¹B 반응보다 핵융합 반응의 조건이 까다롭지 않기 때문에 중성입자 빔 입사장치가 없어도 괜찮을 수 있다.

또 하나의 우려는 헬륨3가 지구상에는 거의 존재하지 않고, 채굴을 위해서는 달에 가야 할 필요가 있다고 알려져 있는 재료라는 점이다. Helion에 따르면, Helion은 D와 D를 핵융합시키는 기술도 이미 개발, 이를 통해 헬륨3를 얻을 수 있기 때문에 문제없다고 한다.

-- 수 천억 엔을 자력으로 조달 --
FRC형 플라즈마 자체는 일본의 연구자를 포함해 이전부터 연구되어 왔지만, 토카막 방식 등 주류로 여겨져 온 방식에 정부 예산이 투입되면서 실용화가 늦어지고 있었다. D-³He 반응이나 p-¹¹B 반응은 불가능할 것이라는 고정관념이 있었을지도 모른다.

앞에서 소개한 2곳의 미국 벤처기업들은 각각 수 십 억 달러, 엔화로는 수 천 억 엔의 자금을 거의 자력으로 조달해 발전이 현실적으로 보이는 단계까지 도달했다. 이들 벤처기업이 핵융합발전을 선도해 세계를 바꿀 가능성도 적지 않아 보인다.

 -- 끝 --

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