일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.2.27

이상적인 차세대 에너지 ‘핵융합 발전’
조기 상용화를 위한 기업들의 참여 잇따라

핵융합발전 상용화를 위한 산업계의 움직임이 활발해지고 있다. 세계 각국의 정부 주도 연구 프로젝트가 추진되고 있는 가운데, 최근에는 핵융합발전 관련 스타트업 기업들도 잇따라 등장하고 있다. 기초 연구의 진전으로 상용화가 시야에 들어오고 있어 기업의 참여 및 개발도 더욱 가속화될 전망이다.

핵융합은 '지상의 태양'이라고도 불리는 차세대 에너지 기술이다. 1g의 연료로 석유 8톤 분량에 해당하는 방대한 에너지를 얻을 수 있다고 하며, 실현된다면 세계가 안고 있는 에너지 문제를 단번에 해결할 가능성이 있다. 발전으로의 응용은 2050년 이후가 될 것으로 예상되었지만, 기업의 참여가 증가하고 있어 실현 시기가 2030년대 후반에서 2040년대로 앞당겨질 수 있을 것으로 기대가 높아지고 있다.

이러한 움직임을 뒷받침하고 있는 것이 스타트업 기업의 증가이다. 업계 단체인 퓨전 인더스트리 어소시에이션(Fusion Industry Association, FIA)에 따르면, 2022년까지 30개 사 이상이 창업. 특히 미국에서는 20개 사 이상이 창업했으며 스타트업에 대한 투자도 활발해지고 있다.

예를 들면, 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 발 스타트업 기업 커먼웰스 퓨전시스템 (Commonwealth Fusion Systems)과 워싱턴 주에 본사를 둔 헬리온에너지(Helion Energy)는 2021년까지 약 20억 달러(약 2,600억엔)를 조달해 화제가 되었다. 마이크로소프트 창업자인 빌 게이츠와 아마존닷컴 창업자 제프 베이조스 등이 이러한 스타트업 기업에 출자하고 있는 것으로 알려졌다. 조달한 자금을 활용해 스타트업 기업이 자체 핵융합로를 개발하는 움직임도 나오고 있다.

일본에서도 대학이나 연구기관 출신자들이 중심이 되어 지금까지 여러 스타트업 기업들이 창업되었다. 대학 등에서 쌓아온 독자적인 기술을 활용해 핵융합로나 요소 부품 등을 개발하고 있다. 일본은 60여년 전부터 핵융합 기술 연구를 해왔기 때문에 대학과 민간기업이 많은 요소기술을 보유하고 있다. 스타트업 기업에게는 이러한 기술들의 활용이 핵융합 발전을 실현하는 원동력이 될 것으로 기대되고 있다.

-- 풍부한 연료, 적은 리스크 --
핵융합 반응은 중수소와 삼중수소를 고온 및 고압 하에서 융합시켜 일으킬 수 있다. 중수소는 바닷물에 풍부하게 포함되어 있으며, 회수하는 기술도 확립되어 있다. 한편, 삼중수소는 천연에는 거의 존재하지 않지만, 핵융합 반응으로 생기는 중성자를 리튬에 조사(照射)하면 생성할 수 있어 일본에서도 충분히 확보할 수 있다. 석유나 천연가스와 달리 자원의 편중이 적어 이상적인 차세대 에너지로 여겨지고 있다.

핵분열 연쇄 반응을 이용하는 원자력발전과 비교해 핵융합은 연료 투입을 멈추면 반응도 멈추기 때문에 비교적 제어하기 쉽다. 연료인 삼중수소와 핵융합로는 방사선 위험이 있지만 원자력 발전에 사용하는 핵연료에 비해 리스크가 낮고 반감기(방사성 물질의 양이 절반이 될 때까지의 시간)도 짧기 때문에 원자력 발전과 같은 높은 수준의 방사성 폐기물을 배출하지 않는다. 즉, 사고 발생 시 피해를 줄일 수 있다는 이점이 있다.

2022년 시작된 러시아의 우크라이나 침공으로 전세계적으로 연료 가격이 급등하는 가운데 새로운 발전 기술에 대한 수요가 높아지고 있다. 또한 핵융합 반응은 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 탄소 중립 실현에도 기여할 수 있다.

-- 복수의 방식으로 검토 진행 --
핵융합 발전을 실현하기 위해서는 섭씨 수 억 도의 고온 상태인 플라즈마를 안정적으로 생성 및 보존해야 한다. 이것이 기술적 장벽이 되고 있다. 실현하는 방법으로는 주로 ‘자기장 감금 방식’과 ‘레이저 방식(관성 감금 방식)’이라는 2가지 방식이 연구되고 있다.

자기장 감금 방식은 자기의 힘을 이용해 고온의 플라즈마를 가두고 보존해 원자로 가 열로 부서지지 않도록 하는 것이다. 도넛 모양의 플라즈마를 형성하는 '토카막(자장용기)형'과 나선형의 플라즈마를 형성하는 '헬리컬형'이 일반적이다. 전세계 핵융합발전 연구에서는 토카막형 연구가 널리 채택되고 있다.

일본과 미국, 유럽, 중국, 한국, 러시아, 인도 등이 참가하는 대형 국제 프로젝트가 대표적으로, 세계 최대 핵융합 실험로인 ‘ITER’ 건설이 프랑스에서 진행되고 있다.

자기장 감금 방식이 실현된다면 고온의 플라즈마를 장시간 보존하며 안정적으로 에너지를 출력할 수 있기 때문에 베이스로드 전원으로 이용할 수 있다. 대형 설비가 필요하지만 기존의 화력발전이나 원자력발전으로 대체되는 기술이라고 할 수 있다.

반면, 레이저 방식은 구(球) 형태의 연료에 다수의 레이저를 동시에 조사해 가열 및 압축해서 순간적으로 핵융합 반응을 일으키는 방식이다. 반응이 일어나는 핵융합로 자체는 작으며, 연료 투입량에 따라 출력을 조절할 수 있어 기동성이 좋은 발전방식이라고 할 수 있다.

오사카대학 레이저과학연구소와 미국 로렌스 리버모어국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)의 국립점화시설(NIF) 등이 이 방식에 대한 연구에서 앞서 있다.

NIF는 2022년 12월 실험에서, 레이저광을 투입해 약 1.5배 에너지를 추출하는 데 성공해 화제가 되었다. 기술개발은 진행되고 있지만, 레이저의 에너지 효율이 낮다는 점과 강력한 레이저를 반복해 조사하는 기술이 확립되어 있지 않은 점 등이 과제가 되고 있다. 발전 방법의 성질상 여름이나 겨울 등 전력 수요가 높아졌을 때 일시적으로 전력을 조달하는 피크 전원으로써의 이용이 상정되고 있다.

-- 2030년대에 정상운전 가능할까? --
ITER 프로젝트에서는 2025년경에 플라즈마를 안정적으로 생성하는 연구에 착수. 핵융합 반응을 일으키는 본격적인 운전은 2035년경이 될 예정이다. 각국 정부는 ITER의 노하우를 전수받아 발전에 응용할 수 있는 ‘원형로’ 개발에 착수한다. 미국과 영국은 2040년대에 원형로를 건설할 계획이다. 레이저 방식도 상용화에는 “앞으로 20~30년 정도 소요”(LLNL), 실현에는 시간이 걸릴 전망이다.

하지만 일부 스타트업 기업들은 원형로를 선행적으로 건설해 2030년대에 핵융합 발전 운전을 실현하겠다는 야심찬 목표를 내걸고 있다. 이 스타트업 기업들이 게임 체인저가 되어 세계적인 핵융합 연구 계획을 앞당겨나갈 것이라고 기대하는 목소리도 크다.

핵융합 발전은 현재 주류인 발전기술을 대체할 가능성이 있어 거대한 시장 규모가 전망되고 있다. 산업 저변도 넓다. 연구의 주도권이 국가에서 민간으로 전환되고 있는 가운데, 기업 간의 경쟁도 치열해질 전망이다.

-- 끝 --

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