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[데일리포스트=김정은 기자] 과거 '실현 불가능'으로 여겨진 핵융합 에너지를 이용한 발전이 점차 현실이 되고 있습니다. 향후 수십 년 안에 상용화될 것으로 기대되는 핵융합 에너지 연구 수준이 실제로 어느 정도인지 '네이처(Nature)'가 해설했습니다. 

일반적인 발전 방법으로 주로 화력 발전과 원자력 발전 등이 이용되고 있지만 기후변화와 환경오염이라는 중대한 단점을 가지고 있습니다. 

이에 태양광 발전을 비롯한 재생 가능 에너지 이용도 증가하는 추세입니다. 하지만 태양광 등은 항상 사용할 수 있는 에너지원이 아닌 만큼 안정적인 에너지 공급이 어렵다는 과제가 남습니다. 

이 같은 에너지 문제를 해결할 대안으로 주목받는 것이 바로 핵융합 에너지입니다. 핵융합 에너지는 실현이 어려울 것으로 여겨졌지만 기술 진보 속에서 현실로 다가오고 있습니다. 

이미 국가기관뿐만 아니라 세계 30개 이상의 민간기업이 나서 핵융합 에너지를 개발하고 있습니다. 다만 "향후 10년 이내에 핵융합 에너지 상업화를 실현한다"는 일부 기업의 전망은 투자금 유치 목적의 낙관론이라는 지적이 나옵니다. 

핵융합 연구 자체는 1900년 전반에 시작된 것으로 사실 새로운 것은 아닙니다. 1950년대 핵융합 기반의 수소폭탄이 발명된 이후 연구자들은 핵융합을 보다 잘 제어함으로써 에너지를 구현하는 방법을 추구해 왔습니다.

기존 원자력발전소는 우라늄과 같은 무거운 원자의 '핵분열'을 이용하지만, 핵융합 에너지는 수소와 같은 가벼운 원자의 원자핵을 고온·고압 환경에 노출해 융합된 에너지를 만들어냅니다. 

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수소 동위원소인 중수소(D)와 삼중수소(T)의 원자핵을 융합시키는 방법이 일반적입니다. 이때 단명 중성자 형태로 방사능이 다소 발생하지만, 원자력 발전과 같은 장수명 방사성 폐기물은 나오지 않아 상대적으로 안전하고 환경에 미치는 영향이 적다고 알려져 있습니다.

핵융합 에너지 실현의 중요 과제는 태양의 중심 온도보다 높은 약 1억 K(켈빈) 이상의 초고온에서 핵융합으로 발생한 대전 플라즈마를 반응기 내에 가두는 것입니다. 에너지를 추출하기에 충분할 정도의 플라즈마 유지는 어려운 기술입니다. 

이러한 실험은 대규모 시설과 막대한 자금이 필요하기 때문에 핵융합 에너지 연구는 필연적으로 국가 프로젝트가 중심이 되고 있습니다. 국제 협력을 통해 평화적 핵융합 에너지 개발을 추진하는 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)가 대표적 프로젝트입니다. ITER는 최초 시운전은 2025년, 완전한 D-T 융합은 빨라도 2035년이 될 것으로 예상하고 있습니다. 

핵융합 에너지에 대한 관심이 높아지면서 민간기업의 도전도 늘고 있습니다. 이를 통해 얻을 수 있는 장점 중 하나는 핵융합 에너지에 대한 접근이 다양해진다는 점입니다. 

원래 핵융합 에너지는 '토카막형(Tokamak)' 방법이 일반적이었습니다. 이는 강력한 초전도 자석을 사용해 플라즈마를 링 모양 컨테이너에 가두는 일종의 대규모 핵융합로로, ITER에서도 채택하고 있습니다.

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이런 가운데 영국 토카막 에너지(Tokamak Energy)가 더 소형인 구형 토카막 장치를 개발하는 데 성공했습니다.

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TAE 테크놀로지(TAE Technologies는 직선형 리액터를 개발했습니다. 빔 구동형의 자기장 반전 배치를 사용하고 있습니다.

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아마존 제프 베조스 CEO가 투자한 제너럴 퓨전(General Fusion)은 '자화 표적 핵융합(MTF·Magnetized Target Fusion)'을 채택한 반응기를 개발중입니다. 

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또 코일을 나선 모양으로 감아 자장을 만드는 헬리컬형이 있습니다. 수소를 초고온에서 감금장치에 1초 이상 가두는 방식입니다. 1950년대 고안 이후 복잡한 과정으로 별다른 관심을 받지 못하다 슈퍼 컴퓨터의 등장 이후 새롭게 주목받은 방법입니다. 현대에는 플라즈마를 가두기 쉽다는 장점으로 독일 벤델슈타인7-X가 채택되고 있습니다.

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국가협력으로 진행되는 ITER에 비해 민간기업이 개발하는 원자로는 소규모이고 보다 저렴하다는 점에서 유리한 측면이 있습니다. 하지만 신속한 상업화에 초점을 맞추다 보니 실패 위험도 커질 수 있습니다. 

아래는 ITER와 민간기업이 계획하는 원자로 개발 과정입니다. 보라색이 민간기업이고 하늘색이 ITER를 나타냅니다. ITER는 실제 가동을 2035년 이후로 예상하는 반면, 민간기업 대부분은 2035년까지 상업화를 목표로 하고 있습니다.

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민간기업과 국가 프로젝트의 동시 진행은 서로에게 이익이 될 수 있습니다. 국가 프로젝트는 민간기업으로부터 연구·개발 정보를 얻을 수 있고, 민간기업도 국가 프로젝트를 기반으로 기술을 구축하거나 정부로부터의 지원을 받을 수 있습니다. 양측의 협력이야말로 핵융합 에너지 기술 진보를 앞당길 수 있는 열쇠일 수 있다고 네이처는 전했습니다.

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