핵융합의 획기적인 발전과 현실적인 전망

핵융합의 획기적인 발전과 현실적인 전망

최근 과학자들은 핵융합 점화의 획기적인 발전을 발표했습니다. 이들의 연구에서 강력한 핵융합로의 심장은 투입된 것보다 더 많은 에너지를 잠시 동안 생성했습니다. 이는 최초로 이뤄낸 결과였고 핵융합은 유용하면서 비용까지 효율적이었습니다. 하지만 일부 전문가들은 "이번 혁신이 매우 중요하기는 하지만 안전하고 무한한 원자력 에너지에는 아직 갈 길이 멀다"라며 주의를 촉구했습니다. 미국 정부가 지원하는 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설(NIF) 원자로는 올바른 방향으로 작은 발걸음을 내디뎠음에도 불구하고 결국 여전히 먼 꿈으로 남았습니다. NIF의 물리학자들은 "약 2메가 줄의 에너지를 운반하는 레이저를 작은 연료 알갱이로 발사할 수 있다"라고 보고했습니다. 두 개의 수소 동위원소로 인해 원자는 플라스마로 바뀌고 3메가 줄의 에너지가 생성, 이는 50% 증가된 수치입니다.

 

과학자들은 이번 연구 결과에 매우 기뻐하면서도 과대평가하는 것을 경계하고 있습니다. 전체적인 관점에서 바라볼 때 원자로는 에너지의 순 이득을 생성하지 않았습니다. 핵융합 반응이 실질적으로 유용하기 위해서는 전기 그리드에서 끌어와 레이저 빔으로 변환된 뒤 원자로 노심을 향해 발사되는 수십 메가 줄이 플라스마에서 방출되는 에너지보다 훨씬 작아야 합니다. 그러나 새로운 플라스마 점화 이정표는 전기를 빛으로 전환할 때 발생하는 상당한 손실이 아니라 레이저 에너지 유입과 플라스마 에너지의 유출만을 설명했습니다. 이 반응은 세계에서 가장 큰 레이저 내부의 작은 연료 알갱이에서 일어났습니다. 반응의 지속 시간은 수십억 분의 1초에 불과했으며 이것은 6시간마다 반복될 수 있습니다. 과학자들은 이러한 이유를 들어 "실제 목적에 비해 반응이 너무 비효율적"이라고 지적했습니다. 호주 그리피스 대학의 물리학자이자 명예 교수인 이안 로우는 "순 에너지 획득은 중요한 이정표이지만, 결국 페르미 연구소가 약 80년 전에 핵분열을 했던 곳에서 핵융합이 이루어지고 있음을 의미한다"라고 말했습니다. 로우는 "엄청난 기술적 문제는 핵융합이 가능하도록 플라스마 질량을 수백만 도의 온도로 유지하는 동시에 유용한 에너지를 제공할 만큼 충분한 열을 추출하는 것"이라며 "그 목표를 달성하는 핵융합로에 대해 신뢰할 만한 개략도를 아직도 본 적이 없다"라고 덧붙였습니다.

 

핵융합로의 작동 원리

기존의 핵융합로는 두 가지 광범위한 범주로 나눌 수 있습니다. 레이저 또는 입자 빔을 사용하여 고온 플라스마를 포함하는 NIF와 같은 관성 밀폐 원자로와 영국에 기반을 둔 JET, 유럽에서 곧 출시될 국제 협약과 같은 자기 밀폐 원자로입니다. 열핵실험로(ITER)와 중국의 첨단 초전도 토카막(EAST)은 플라스마를 강한 자기장 및 다양한 토러스 형태로 조각합니다. ITER에서 불타는 플라스마를 가두는 자기장은 지구 주위 자기장보다 280,000배 더 강할 것입니다. 다양한 원자로 유형은 핵융합의 위협적인 기술적 장벽을 극복하기 위해 다양한 전략을 반영합니다. 토카막이라 알려진 자기 밀폐형 원자로는 플라스마가 오랜 시간 동안 지속적으로 연소되도록 하는 것을 목표로 합니다. ITER의 목표는 최대 400초 동안 이를 수행하는 것입니다. 목표에 점점 더 가까워지고 있음에도 불구하고 토카막은 아직 플라스마로부터 순 에너지 이득을 창출하지는 못했습니다.

 

반면 NIF 원자로와 같은 관성 밀폐 시스템은 작은 연료 덩어리를 빠르게 연소시켜 에너지 폭발을 생성합니다. 이러한 관성 밀폐 시스템은 군사 목적으로 열핵 폭발을 테스트하기 위해 작동합니다. 그러나 이 연료는 별개의 알갱이 형태로 제공되며, 과학자들은 가장 짧은 1초보다 더 오랫동안 반응을 유지할 수 있을 만큼 신속하게 이를 교체하는 방법을 아직 찾지 못했습니다. 로잔 연방 공과대학교의 스위스 플라스마 센터 부국장인 이브스 마틴은 "플라스마 구름이 용기에서 확장되는 시간 동안 다음 펠렛을 배치해야 한다는 의미이기 때문에 이것은 매우 까다롭다"라고 말했습니다. 여기서 언급된 펠렛은 일반적으로 직경 1밀리 미터(0.04인치) 크기에 너비가 9미터(30피트)인 방에 배치되어야 합니다.

 

매우 비싼 동위원소

핵융합로의 또 다른 문제는 반응 연료로 중수소와 결합되는 주요 동위원소인 삼중수소의 공급이 감소하고 있다는 것입니다. 핵분열의 부산물인 삼중수소는 야외 핵무기 실험과 원자를 결합하는 대신 쪼개어 훨씬 더 많은 방사성 폐기물을 생성해냈습니다. 이러한 이유로 삼중수소는 흔하면서도 과학자들이 원치 않는 부산물 중 하나였습니다. 하지만 삼중수소의 반감기는 12.3년이며, 이는 기존 재고의 상당 부분이 이미 사용할 수 없다는 것을 의미합니다. 이러한 이유에서 삼중수소의 가격은 그램당 30,000달러이며 결국 지구상에서 가장 비싼 물질에 꼽히게 됐습니다. 물리학자들은 길 잃은 중성자를 포획하는 원자로 내부에서 삼중수소를 증식시키는 등 삼중수소를 생성하는 다른 방법들을 제안했습니다. 그러나 일부 소규모 실험 외에도 비용은 급격히 증가했고, ITER에서는 삼중수소 육종을 테스트하려는 계획이 취소되기도 했습니다.

 

핵융합 관련 연구자들은 "정치적 의지가 발견되고 공학적 과제가 해결될 경우, 이르면 2040년에 최초의 실행 가능한 핵융합로가 가동될 수 있다"라고 전망했습니다. 그러나 일각에서는 "지구 온난화가 빠르게 진행 중인 지구를 목표 온도인 섭씨 1.5도(화씨 2.7도) 이하로 유지하기 위해서는 10년 이상 걸릴 것"이라는 지적도 나옵니다. 로우는 "의사결정자들은 풍부한 자원에서 나오는 청정에너지라는 성배를 갈망한다"라며 운을 뗐습니다. 실제로 핵융합 연구에 엄청난 돈을 투자한 결정자들은 포기하기를 매우 꺼리고 있는 것으로 전해졌습니다. 로우는 "마치 그들은 증식로에 대한 환상을 쫓아 수십 년을 보낸 것처럼 보인다"라고 덧붙였습니다.

 

그럼에도 불구하고, 최근 몇 년간 핵융합 기술의 발전은 꾸준히 이루어지고 있습니다. 여기에는 토카막 내부 플라스마를 제어하는 인공지능의 성공적인 실험도 포함됐습니다. 이러한 발전에 비추어 핵융합 과학자들은 "기후 위기에 대한 장기적인 해결책을 위해 다양한 전략이 필요하며 핵융합은 미래 무탄소 에너지 시스템의 필수 구성 요소가 될 것"이라고 주장합니다. 마틴은 "만일 재생 에너지에만 의존하고 싶다면 겨울이나 바람이 없는 기간에 일반적으로 필요한 에너지양을 확보하기 위해 과도한 설치가 필요할 것"이라고 예상했습니다. 마틴은 "우리는 기본 수준이 될 무언가가 필요하다. 당신이 원하는 것을 정확히 생산해야 한다"라고 강조했습니다. 이어 그는 "내가 지붕에 태양광 패널을 몇 개 설치하지 않는 것은 핵융합을 믿기 때문이 아니다"라면서 "어떤 의미에서 우리는 화석 연료보다 더 나은 모든 것을 사용해야 한다"라고 이야기했습니다.