꿈의 에너지 '핵융합로' 2025년에 출시 가능성 열린다

소비하는 것보다 더 많은 에너지를 방출하는 실행 가능한 핵융합로가 빠르면 2025년에 출시될 수 있습니다. 이는 과학 학술지에 발표된 7개의 새로운 연구 결과입니다. 핵융합로가 그 이정표에 도달하면 대규모 청정에너지 생산의 길을 열 수 있습니다. 핵융합 과정에서 원자핵은 서로 강제로 결합되어 더 무거운 원자를 형성합니다. 생성된 원자의 질량이 생성에 사용된 원자의 질량보다 적으면 초과 질량이 에너지로 변환되어 엄청난 양의 빛과 열이 방출됩니다. 핵융합은 태양과 별의 심장에 있는 강력한 중력이 수소를 융합하여 헬륨을 생성하므로 태양과 별에 전력을 공급합니다.

 

그러나 원자를 서로 융합시키려면 엄청난 양의 에너지가 필요하며, 이는 화씨 1억8천만 도(섭씨 1억 도) 이상의 온도에서 발생합니다. 그러나 그러한 반응은 필요한 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 생성할 수 있습니다. 동시에 핵융합은 지구 온난화를 유발하는 이산화탄소와 같은 온실가스를 생성하지 않으며, 다른 오염물질도 생성하지 않습니다. 그리고 수소 원소와 같은 핵융합 연료는 수백만 년 동안 인류의 모든 에너지 수요를 충족할 만큼 지구상에 풍부합니다.

 

매사추세츠 공과대학교의 플라스마 물리학자이자 새로운 원자로를 개발하는 수석 과학자 중 한 명인 연구 저자인 마틴 그린월드는 "사실상 우리 모두가 정말 심각한 글로벌 문제를 해결하려고 노력하고 있기 때문에 이 연구에 참여했다"라고 말했습니다. 이어 "우리는 사회에 영향을 미치고 싶다. 지구 온난화에 대한 해결책이 필요하다. 그렇지 않으면 문명이 곤경에 처하게 된다. 이것이 문제를 해결하는 데 도움이 될 것이다"라고 덧붙였습니다.

 

대부분의 실험용 핵융합로는 토카막이라고 불리는 도넛 모양의 러시아 설계를 사용합니다. 이러한 설계는 강력한 자기장을 사용하여 원자가 서로 융합할 수 있을 만큼 높은 극한의 온도에서 플라스마 구름 또는 이온화된 가스를 가두어 둡니다. SPARC 원자로라고 불리는 새로운 실험 장치는 매사추세츠 공과대학교의 과학자들과 분사 회사인 영연방 핵융합 시스템에 의해 개발되고 있습니다. 성공한다면 SPARC는 추가 에너지를 공급할 필요 없이 모든 핵융합 반응에서 발생하는 열이 핵융합을 계속 진행시키는 '연소 플라스마'를 달성한 최초의 장치가 될 것입니다.

 

그러나 여기 지구상에서는 어느 누구도 제어된 반응으로 연소 플라스마의 힘을 활용할 수 없었으며, SPARC가 그렇게 하기 전에 더 많은 연구가 필요합니다. 2018년 시작된 SPARC 프로젝트는 내년 6월 착공해 2025년 원자로 가동을 시작할 예정입니다. 이는 국제 열핵융합 실험로로 알려진 세계 최대 핵융합발전 프로젝트보다 훨씬 빠른 속도이며, 1985년에 구상되었지만 2007년까지 출시되지 않았습니다. 2013년에 건설이 시작되었지만 이 프로젝트는 2035년까지 핵융합 반응을 일으키지 못할 것으로 예상됩니다.

 

국제 열핵융합 실험로에 비해 SPARC가 가질 수 있는 한 가지 장점은 SPARC의 자석이 플라스마를 가두도록 설계되었다는 것입니다. SPARC는 국제 열핵융합 실험로가 처음 설계된 지 한참 후인 지난 3~5년 사이에 상용화된 소위 고온 초전도 자석을 사용할 예정입니다. 이 새로운 자석은 국제 열핵융합 실험로보다 훨씬 더 강력한 자기장을 생성할 수 있습니다. 즉, 국제 열핵융합 실험로의 최대 12테슬라에 비해 최대 21테슬라입니다. 비교해 보면, 지구 자기장의 강도는 3천만 분의 1테슬라에서 6천만 분의 1테슬라에 이릅니다.

 

이 강력한 자석은 SPARC의 코어가 폭 6미터로 예정된 국제 열핵융합 실험로의 심장보다 직경이 약 3배 더 작고 부피도 60~70배 더 작을 수 있음을 시사합니다. 그린월드는 과학 학술지에 "크기의 극적인 감소는 무게와 비용의 감소를 동반한다"라고 말하며, "이것이 정말 게임 체인저이다"라고 덧붙였습니다. 7개의 새로운 연구에서 연구자들은 SPARC 설계의 기반이 되는 계산 및 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 설명했습니다. 연구에 따르면 SPARC는 주입되는 에너지보다 최소 10배 더 많은 에너지를 생성할 것으로 예상됩니다.

 

또한 핵융합로에서 나오는 열은 증기를 생성하며, 이 증기는 오늘날 대부분의 전기가 생산되는 것과 같은 방식으로 터빈과 발전기를 구동하게 됩니다. 그린월드는 "융합 발전소는 화석 연료 발전소를 일대일로 대체할 수 있으며, 이를 위해 전력망을 재구성할 필요가 없다"라고 말했습니다. 대조적으로, 태양광 및 풍력과 같은 재생 가능 에너지원은 현재의 전기 그리드 설계로는 잘 수용되지 않습니다.

 

연구원들은 궁극적으로 SPARC에서 영감을 받은 핵융합 발전소가 250~1,000메가와트의 전기를 생산할 수 있기를 바라고 있습니다. 그린월드는 "현재 미국 전력 시장에서 발전소는 일반적으로 100~500MW 사이의 전력을 생산한다"라고 말했습니다. SPARC는 전기가 아닌 열만 생산합니다. 연구자들은 SPARC를 구축하고 테스트한 후 2035년까지 그 열로 전기를 생산할 ARC 원자로를 건설할 계획입니다. 그린월드는 "그것은 매우 야심 찬 일이지만 이것이 우리가 추구하는 목표다"라고 말했습니다.