산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2024.8 (p50-53)

새로운 방식 'FRC'도 대두
과제는 안정적인 반응의 달성

미래 희망의 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전이지만 핵융합 반응이 일어나는 조건을 인공적으로 제어한 상태로 유지하기는 현재로서는 어렵다. 오랜 세월 여러 나라가 기술 개발에 임하고 있지만, 어느 나라도 발전에 이용할 수 있는 핵융합로는 실현하지 못하고 있다.

그 이유는 핵융합 반응을 일으키는 '로슨 조건'의 달성이 극히 어렵기 때문이다. 이 로슨 조건의 내용은 핵융합 기법이나 연료 등에 따라 약간 다르지만, 후술하는 ‘자기장 갇힘 방식’의 핵융합로에서 ‘DT 반응’을 이용하는 경우, 다음의 3개의 조건을 동시에 달성할 필요가 있다.

우선, (1) 연료를 1억 ℃ 이상으로 가열해 원자핵과 전자가 분리한 플라즈마 상태로 만드는 것, 다음으로 (2) 1cm3(1cc)에 원자핵의 수가 100조개 이상 있는 상태까지 밀도를 높여 가두는 것, 마지막으로 (3) 이 가둔 상태를 1초 이상 계속하는 것이다. 이 세 조건을 동시에 갖추면 연료의 원자핵끼리 부딪쳐 융합하여 다른 원자가 되는 핵융합 반응이 일어난다.

1억 ℃ 이상이나 되는 고온 상태의 연료 플라즈마를 생성/유지하는 방법으로는 크게 나누어 ‘레이저(관성 밀폐) 방식’과 ‘자기장 밀폐 방식’의 2개 방식이 있다. 게다가 자기장 밀폐 방식에서는 타원형 코일로 도넛 모양의 플라즈마를 형성하는 '토카막(Tokamak)형'과 부채꼴 모양 코일을 사용하는 '헬리컬(Helical)형'이 주류다. 그리고 최근에는 ‘FRC(자장 반전 배위)형’도 주목을 받고 있다. 한마디로 핵융합이라고 해도 레이저, 토카막/헬리컬, FRC와 플라즈마의 생성/유지 방법이 다르고, 각각 일장일단이 있다. 각 방식에 대해 살펴보자.

-- 레이저 핵융합 방식에서 일본에 경쟁력 --
레이저 핵융합은 관성 밀폐 방식으로도 불리며, 이름 그대로 레이저광을 사용해 핵융합이 일어나는 조건을 만들어낸다. 구체적으로는 구형(球形)으로 배치한 연료에, 주위에서 초고출력 레이저광을 동시에 조사해 가열/압축하는 '폭축(爆縮, implosion, 충격파에 의한 압축)'을 일으켜, 극히 단시간 핵융합의 조건을 만족시켜 순간적으로 반응을 일으킨다.

반응이 일어나는 핵융합로 자체가 작고, 연료 투입량에 따라 출력을 조정할 수 있으므로 빠른 대처가 가능하다. 필요에 따라 작은 핵융합을 일으켜 발전하는 성질상, 여름이나 겨울에 전력 수요가 높아졌을 때 일시적으로 전력을 충당하는 피크 전원으로 이용하는 것을 상정하고 있다.

세계적으로는 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 레이저 핵융합 실험시설 '국립점화시설(NIF)'과 오사카대학의 레이저 과학연구소 등의 연구가 앞서고 있다. 특히 NIF는 2022년 12월 이후에 실시한 핵융합 실험에서 여러 차례(2024년 5월 시점에서 5회), 투입한 것보다 더 큰 에너지를 빼내는 '에너지 순증'에 성공했다.

현재의 과제는 전력을 레이저광으로 변환하는 효율이나, 레이저광의 에너지가 핵융합에 기여하는 효율이 낮다는 점이다. 또한 강력한 레이저를 반복 조사하는 기술도 확립되어 있지 않다. 발전에 사용하는 상용로에서는 레이저를 1초간 10회 정도 조사할 필요가 있어, 정확하게 레이저를 조사하는 높은 제어 기술도 요구된다.

레이저 핵융합 연구에서는 오사카대학 등 국내 연구기관도 50년 이상 종사하고 있으며, 스타트업 기업이나 재료업체 등 관련 기업도 포함해 일본은 세계에서 높은 경쟁력을 가지고 있다.

-- 거대 실험로를 건설하고 있는 토카막형 --
자기장 밀폐 방식은 강력한 자기장을 이용해 플라즈마를 가둬놓고 유지해 핵융합을 안정적으로 일으키는 방식이다. 자기장 밀폐 방식은 실현된다면 고온의 플라즈마를 장시간 유지할 수 있기 때문에 안정적으로 발전할 수 있는 베이스로드 전원으로 이용하기 쉽다. 대형 설비가 필요하기는 하지만 기존의 화력발전이나 원자력발전으로 대체될 가능성을 가진 기술이라고 할 수 있다.

토카막형 핵융합로는, 외부 코일에 의해서 만드는 원주 방향의 토로이달 자기장과, 플라즈마 속에 원주 방향의 전류(플라즈마 전류)를 보냄으로써 만드는 방사 방향의 포로이달 자기장을 조합해 고온 플라즈마를 가둔다. 플라즈마의 밀폐 성능이 높다고는 하지만 플라즈마 전류의 제어가 과제가 되고 있다.

국가 레벨의 연구에서는 현재 토카막형이 주류로 진행되고 있다. 그 대표가 프랑스에서 건설되고 있는 국제열핵융합실험로 ‘ITER’이다. 일본을 포함한 여러 나라가 참가하는 대형 국제 프로젝트로서 개발이 진행된다.

한편, 일본의 핵융합과학연구소(NIFS)가 오랜 세월 연구를 진행해 스타트업 기업인 Helical Fusion(도쿄)이 상용화를 목표로 하는 헬리컬형 핵융합로는 플라즈마 전류가 불필요하고, 외부 코일만으로 플라즈마를 유지한다. 장시간의 안정 가동에 뛰어난 것이 특징이다.

-- 중성자를 내지 않는 '안전'한 FRC --
최근에는 새로운 재료와 기술 개발이 진행되면서 인공지능(AI)과 시뮬레이션 기술도 고도화되고 있다. 그러한 배경에서, 과거에 검토를 통해 실현성이 낮다고 여겨졌던 핵융합로 방식이 다시 각광을 받는 케이스도 나오기 시작했다.

그 중에서 유력한 것이 자기장 밀폐 방식의 일종인 ‘FRC(Field-Reversed Configuration)형’이다. 원통형 장치의 양단에 자기장으로 가둔 플라즈마 펄스를 발생시켜, 그것들을 용기의 중심부로 끌어들여 충돌시켜, 고온/고밀도의 플라즈마를 생성해 핵융합을 일으킨다.

FRC형은 일시적으로 고온의 환경을 만들 수 있는 것이 특징이며, 반응을 일으키기 어려운 특수한 핵융합도 일으킬 수 있다. 경수소(p)와 붕소11(¹¹B)을 핵융합시켜 헬륨4(⁴He)를 생성하는 ‘pB반응’이나, 중수소(D)와 헬륨3(³He)를 반응시켜 경수소(p)를 생성하는 ‘헬륨반응’ 등이다.

붕소11이나 헬륨3를 사용하는 핵융합 반응은 '선진 연료 핵융합'으로 불리며, 핵융합에서 중성자를 거의 내지 않는 것이 장점이다. 토카막형 핵융합로 등에서 사용되는 DT 반응에서는 고속 중성자가 발생하기 때문에, 노벽(爐壁)의 블랭킷(내부는 리튬 재질)이 방사화되거나 열화되는 과제가 있어, 이것을 견디는 블랭킷의 소재나 구조 개발이 실용화를 막는 하나의 장벽이 되고 있다. 선진 연료 핵융합이라면 이런 걱정이 적다. 또 pB반응의 연료가 되는 경수소와 붕소11은 천연자원으로 쉽게 조달할 수 있다는 것도 장점이다.

발생한 에너지의 효율적인 회수 방법의 확립도 핵융합의 실용화를 위한 큰 과제 중 하나이다. 선진 연료 핵융합에서는 생성하는 고에너지의 헬륨(α 입자)이 플러스로 대전하고 있기 때문에 발생한 에너지를 전자 유도로 회수해 직접 발전할 수 있다. 열을 빼내어 터빈을 돌리는 종래의 발전 방법보다 효율적인 발전을 실현할 수 있다.

FRC형 핵융합로는 구조가 간소하고 건설이 용이하다는 이점도 있다. 레이저 방식이나 다른 자기 밀폐 방식과 비교하면 소형 장치로 끝나기 때문에 스타트업 등 민간 기업도 진입하기 쉽다. 전력수요지 근처에 소형 핵융합로를 설치할 수 있으면 대형 발전소에서 송전선이나 변전소 등을 통해 전력을 보내는 것에 비해 인프라 정비나 전력 손실도 적다. 다만, 플라즈마를 장시간 유지하는 것이 어렵고, 수요에 따라 핵융합을 반복적으로 일으켜 발전에 이용하는 것을 상정한다.

안전성이 높고 이점이 많은 선진 연료 핵융합이지만 DT 반응과 비교해 점화하기는 매우 어렵다. 수억~10억℃ 이상이라는 고온 환경이나, 높은 자기장 밀폐 효율 등 다양한 조건을 충족시킬 필요가 있다. 선진 연료 핵융합에 도전하는 스타트업 기업들은 플라즈마에 고에너지 빔을 조사해 낮은 온도에서도 점화시키는 연구를 진행하고 있다.

-- FRC형 연구개발에서 미일에 움직임 --
FRC형 핵융합 기술에서 앞서고 있는 것은 미국 TAE Technologies와 미국 Helion Energy 등이다. TAE Technologies는 일본인 다지마(田島) 씨가 최고과학책임자(CSO)를 맡고 있는 스타트업이다. 창업은 1998년으로, 이 분야에서는 오랜 경험이 있다. 2023년 3월에는 NIFS의 대형 헬리컬 장치(LHD)를 사용해 공동으로 pB 반응의 실증에 성공했다.

2013년 설립된 Helion Energy도 빠른 속도로 개발을 진행하고 있다. 헬륨 반응에서의 실용화를 목표로 하고 있어 입수가 곤란한 연료인 헬륨3를 노내에서 생성하는 기법에도 전망이 섰다고 한다. 2023년 11월에는, 자사의 FRC 핵융합 실험 설비에서 첫 플라즈마 생성 ‘퍼스트 플라즈마’에 성공했다고 발표했다. 이르면 2024년중에 핵융합에 의한 발전 실증실험에 착수할 계획이다. 미국 마이크로소프트와의 매전(賣電) 계약도 맺고 있어 주목을 받고 있는 스타트업 기업 중 하나이다.

일본에서는 FRC형 핵융합로를 오랜 세월 연구하고 있던 일본대학이 2023년 11월에 쓰쿠바대학과의 공동 스타트업 LINEA 이노베이션(도쿄)을 설립했다. 쓰쿠바대학은 ‘탠덤미러형’이라고 부르는 직선형의 자기장 형상을 이용하는 다른 핵융합 기술을 연구하고 있으며, 두 형식의 이점을 조합한 새로운 방식으로 선진 핵융합 연료를 사용한 상용 핵융합로의 실현을 목표로 한다고 한다.

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Part 2. 다양한 방식
새로운 방식 'FRC'도 대두, 과제는 안정적인 반응의 달성

Part 3. 국가 주도의 연구개발
세계에서 진행되는 대형 실증 프로젝트, 국제협력으로 성공을 모색

Part 4. 새로운 시장에 침투
저변이 넓은 서플라이 체인, 참여하는 일본기업과 그 강점은

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