전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2024.4 (p50~53)

Emerging Tech: 발전 기술
제 3방식의 핵융합로를 통해 퍼스트 플라즈마 생성
헬리온, 올해 안에 발전 실험 추진

미국의 핵융합 스타트업 헬리온에너지(Helion Energy)는 자사의 제 7 세대인 FRC(Field-Reversed Configuration, 자기장반전배위)형 핵융합 실험 설비 ‘폴라리스(Polaris)’의 일부를 가동시켜 FRC형 플라즈마를 생성했다고 블로그 등에서 밝혔다.

이른바 '퍼스트 플라즈마(First Plasma)'이다. 2023년 11월 말에 성공한 것으로 보인다. FRC형이 아닌 플라즈마의 생성은 2023년 7월 시점에서 성공했다고 한다.

앞으로 이러한 실험 데이터를 바탕으로 핵융합 출력 향상을 위해 장치를 개선, 이르면 올해 안에 발전 실험을 시작할 계획이다.

FRC형 핵융합은 토카막형 핵융합이나 레이저 핵융합이 아닌 제 3의 핵융합 발전 방식이라고 할 수 있다.

-- 플라즈마를 생성하여 초고속으로 충돌시킨다 --
구체적으로 말하면, 우선 얇고 긴 장치의 양끝에서 도넛 모양의 플라즈마펄스(플라즈모이드라고도 한다)를 생성한다. 이 플라즈마펄스는 그 자체가 일종의 전자석으로 되어 있어 리니어모터와 같은 기술로 고속 이동시킬 수 있다. 헬리온의 경우, 이 2개의 플라즈마펄스를 압축하면서 100만 마일/시(약 447km/초)의 초고속으로 가속. 장치의 중앙부에서 충돌·융합시켜 온도를 높여 핵융합을 일으키는 것을 노린다.

-- 발전 방식에서도 차이 --
하지만, 이 FRC형 핵융합도 그 이후의 발전 방식에 따라 크게 2가지로 나뉜다. 하나는 토카막형으로 대표되는 ‘자기장 가둠 방식’에 가까운 방식으로, 플라즈마펄스를 충돌∙융합시킨 뒤 Neutral-beam injection(NBI)이라는 장치로 이온 등을 고속으로 강하게 주입해서 더욱 가열시켜 그 상태를 일정 시간 유지하는 동안 발전한다.

이 방식을 채택한 것이 또 다른 FRC형 핵융합 벤처인 미국의 TAE테크놀로지(TAE Technologies)이다. ‘연료’는 양자(p, 또는 H+)와 붕소-11(¹¹B)로, p-¹¹B 반응이라고 불리는 타입의 핵융합을 상정한다. ¹¹B는 천연으로 산출되는 B의 80%를 차지해 안정적 공급이 용이하다.

이 p-¹¹B 반응의 최대의 특징은 핵융합 시에 핵융합로를 방사화하거나 손상시키는 고속 중성자가 나오지 않기 때문에 토카막 방식 등에서의 주요 과제를 거의 생각하지 않아도 된다는 것이다. TAE도 미래에는 p-¹¹B 반응으로 나오는 입자를 사용해 전자기유도로 발전할 계획이지만, 처음에는 핵융합의 열로 증기터빈을 회전시키는 방식으로 발전할 것이라고 한다.

-- 헬리온은 전자기 유도로 발전 --
한편, 헬리온이 채택한 방식은 충돌시킨 플라즈마를 유지하려고 하지 않는다. 그 대신 플라즈마를 생성해 충돌시키는 빈도를 높임으로써 에너지를 늘리려는 방식이다. 이 점에서는 ‘관성 가둠 방식’이라고도 불리는 레이저 핵융합에 가깝다.

상정하는 연료는 중수소(D)와 헬륨-3(³He)이다. 이들의 핵융합은 D-³He 반응으로 불리며, 수소원자 H와 α입자(⁴He)가 합성된다. 이 반응 자체에서 중성자는 나오지 않는다.

헬리온은 발전기술로서 당초부터 증기터빈이 아닌 플라즈마 속의 전자나 하전(荷電) 입자가 핵융합 에너지를 통해 방출될 때 전자기 유도로 코일에 기전력을 발생시키는 방법을 채택했다.

-- 발전 기능도 처음으로 구현 --
지금까지 헬리온은 이 방식의 실험 장치를 2~4년마다 갱신, 2019년 이후부터는 제 6세대인 ‘트렌타(Trenta)’로 플라즈마의 생성 실험을 진행해왔다. 누계 1만 회 이상 플라즈마를 생성했다고 한다.

2021년 6월에는 기존 방식으로 핵융합을 일으키기 위한 최소한의 조건이라고 할 수 있는 1억℃를 민간기업으로는 처음으로 달성했다고도 발표했다. 참고로 TAE는 7,000만℃가 현 시점의 최고치라고 한다.

하지만, 트렌타에서는 펄스를 625초, 즉 10분 이상에 1회 정도 밖에 생성하지 못하고, 발전 구조도 구현되지 못했다.

한편, 최신 세대인 폴라리스는 펄스를 트렌타의 약 100배의 빈도로 생성할 수 있다. 발전도 상정하고 있으며, 서두에서 언급했듯이 올해 안에 발전 실험을 시작할 계획이다.

-- 대형 축전지 다수 제조 --
헬리온에 따르면, 2023년은 폴라리스의 각 부품이나 부재의 대부분을 개발 및 제조한 해였다고 한다. 예를 들면, 핵융합 장치에 전력을 단번에 투입하기 위해 일단 전력을 모아 두는 시스템(커패시터뱅크)에 이용하는 대형 축전지(커패시터)를 양산했다.

또한, 그 출력을 제어하는 회로 개발도 추진했다고 한다. 최종적으로는 트렌타의 약 5배인 50MJ 이상의 용량의 커패시터뱅크를 이용할 방침이다. 당초 폴라리스의 설계에서는 약 10초에 1회의 빈도로 축전지를 구동하여 플라즈마펄스를 생성할 계획이었지만, 제어 회로의 개선을 통해 1초에 1회의 빈도로 생성 가능하게 되었다고 한다.

2023년 후반에는 플라즈마펄스를 생성하는 포메이션 코일도 완성했다. 2023년 11월말에는 이것을 시험적으로 가동해 실제로 FRC형 플라즈마펄스를 생성할 수 있다는 것을 확인했다고 한다.

현재는 생성한 플라즈마펄스를 고속으로 이동시키기 위한 코일을 제작하고 있다고 한다. 올해 상반기까지 플라즈마펄스를 압축하는 장치를 제작할 계획으로, 이것이 완료되면 드디어 폴라리스 완성에 가까워진다고 한다.

-- 미국 최대 철강 업체도 고객--
사실, 이 폴라리스는 헬리온에게 있어서 마지막 실험 장치이다. 폴라리스를 상정한 대로 가동, 발전할 수 있게 된다면, 그 다음은 드디어 상업로를 구축해 가동시키는 단계가 되기 때문이다. 상업로는 2028년에 완성해 가동시킬 계획이라고 한다.

헬리온은 발전 코스트를 0.01달러/kWh(약 1.5엔/kWh)로 할 수 있다고 자신하고 있다. 이미 마이크로소프트와 매전 계약을 맺었다고 발표, 2023년 말에는 미국 최대 철강 업체인 뉴코어 (Nucor)와 계약을 진행하고 있다는 것도 분명히 했다. 500MW급의 발전 설비와 뉴코어를 직접 연결시킬 계획이라고 한다.

철강 업계는 탈탄소화를 위해 이산화탄소를 대량으로 배출하는 고로에서 전로로의 전환을 강요 받고 있다. 그리고, 뉴코어는 전기로로의 전환으로 업계를 리드하고 있는 기업인 것이 이번 계약의 배경에 있는 것으로 보인다.

-- 장대한 ‘공론(空論)’? --
일견 순조로워 보이는 헬리온의 핵융합로 개발 상황이지만, 다른 핵융합 연구자 대부분이 이 방식을 실현하는 데 있어 매우 어렵다고 생각하는 세 가지 기술적 장벽이 남아 있다. 이것들을 뛰어넘지 못한다면, 헬리온의 발전 계획은 장대한 ‘공론’에 그치고 말 것이다.

구체적으로는, (1)실제로 D-³He 반응에 의한 핵융합을 고효율로 발생시킬 수 있을지 여부 (2)연료가 되는 ³He의 충분한 양을 확보, 또는 합성이 가능할 지 여부 (3)만약 핵융합을 일으킬 수 있다고 해도, ‘브레이크이븐’이라고 불리는 플라즈마 생성 등에 투입한 전력 보다 많은 전력을 만들어낼 수 있을지 여부이다.

(1)이 어려운 것은 D-³He 반응을 일으키려면, 기존의 핵융합 방식이 상정하는 D-T 반응보다 적어도 7배 높은 온도 및 압력을 필요로 하기 때문이다. 전술한 바와 같이, 헬리온은 1억℃를 트렌타에서 달성했다고 한다. 그러나 7억℃를 실현할 수 있을지는 아직 불분명하다.

-- ³He를 어디서 얻을까? --
(2)는 연료 중 하나인 ³He가 지구상에는 매우 조금밖에 존재하지 않다는 것과 관련이 있다. 지구상에 있는 헬륨의 대부분은 ⁴He이다. ³He는 달에 풍부하게 존재한다.

하지만 헬리온은 달에서의 채굴은 생각하지 않으며, 용광로 내에서 일어나는 D-D 반응으로 합성되는 ³He를 이용할 계획이다. 이미 지금까지의 플라즈마 생성 실험을 통해 소량이지만 ³He 합성에 성공했다고 한다.

일반적으로는 D-D 반응을 높은 효율로 일으키려면, 12억℃라는 매우 높은 온도가 필요하다고 알려져 있다. 이것은 D-³He 반응보다도 훨씬 어렵다. 이에 대해 헬리온은 보다 저온에서도 높은 효율로 D-D 반응을 일으키는 기술특허를 갖고 있다고 주장한다.

(3)에 대해 어느 핵융합 연구자는 설령 D-³He 반응에 의한 핵융합을 발생시킬 수 있다고 해도, 거기에서 전자기 유도로 만들어낼 수 있는 전력은 매우 한정되어 있다고 예측한다. 핵융합에 의해 플라즈마 속의 하전 입자는 전방위로 비산하는데, 전자기 유도용 코일은 한 방향으로만 배치할 수 있기 때문이다.

핵융합 열을 통해 증기터빈을 회전시키는 방식의 경우, 일정 이상의 에너지효율을 전망할 수 있지만, 전자기 유도에 의한 발전에서는 발전효율을 어떻게 끌어올릴 것인가가 과제가 된다.

-- 1~2년 안에 결과 판명 --
(1)~(3)의 기술적 관문을 뛰어넘는 구체적인 방책 및 전망에 대해 헬리온은 거의 정보를 내놓지 않고 있다. 하지만, 폴라리스 가동의 성패로 모든 것은 밝혀질 것이다. 그러한 의미에서 앞으로 1~2년은 FRC형 핵융합의 미래에 있어서 큰 분기점이 될 것이라고 말할 수 있다.

 -- 끝--

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