[과학] 제어 가능한 핵융합이란 무엇인가?

―에너지 판도를 바꿀 핵융합, 새 시대의 동력이 되다

새세대‘인공 태양’‘중국환류3호’

국제에너지기구(IEA)가 발표한 《에너지와 인공지능》 보고서는 심각한 현실을 드러냈다. 2024년 데이터쎈터는 전세계 전력 수요의 약 1.5%(415 테라와트시)를 차지했으며 2030년에는 이 수치가 945 테라와트시로 급증하여 전세계 총 전력 소비의 3%를 차지할 것이라고 전망했다. 이 중 인공지능(AI)의 연구, 발전 및 응용이 이러한 전력 소비 급증의 가장 주요한 추동 요인이다. 이러한 추세는 AI 시대에 접어들면서 국가 간 과학기술 및 경제 경쟁이 근본적으로 발전 규모와 전력비용에 관한 에너지 경쟁으로 진화하고 있음을 뚜렷이 보여준다. 

이러한 배경 아래 강력하고 안정적이며 청정한 에너지자원을 찾는 것은 미래와 직결된 전략적 과제로 되였다. 낮밤이나 기상 조건에 따라 단속적 한계가 있는 태양광, 풍력 등 재생에너지에 비해 제어 가능한 핵분렬(可控核裂变)을 리용하는 기존 원자력은 여전히 핵페기물 처리의 장기적인 난제에 직면해 있다. 따라서 반응 에너지가 크고 연료 자원이 풍부하며 안전성이 높고 방사성이 낮은 압도적인 장점을 가진 제어 가능한 핵융합(可控核聚变)은 인류의 미래를 밝힐 궁극적인 에너지 형태로 간주된다.

제어 가능한 핵융합은 ‘궁극의 에너지’로 칭송되며 그 원리는 태양이 빛과 열을 발생시키는 과정을 모방하여 수소 동위원소인 듀테리움(중수소·氘)과 트리티움(삼중수소·氚)을 극한의 고온 고압 환경에서 핵융합 반응을 일으켜 막대한 에너지를 방출하는 것이다. 이 과정은 태양의 에너지 생성 체계와 동일하기 때문에 관련 실험 장치는 ‘인공 태양’이라고 불린다. 핵융합으로 방출되는 에너지는 화학 반응을 훨씬 초과하며 단일 반응으로 방출되는 에너지는 화학 반응의 수백만 배에서 수천만 배에 달한다. 제어 가능한 핵융합을 실현하기 위해서는 플라즈마(等离子体)를 1억 섭씨도 이상으로 가열해야 할 뿐만 아니라 강력한 자기장의 리용으로 ‘자기장 우리(磁笼)’를 구축하여 용기 재료와 접촉하는 것을 방지해야 한다. 현재 전세계적으로 주로 자기장 속박(磁约束, 례로 토카막 장치-托卡马克装置)과 관성 속박(惯性约束) 두가지 기술 경로를 추진하고 있다.

핵융합은 풍부한 자원, 친화적인 환경 및 본질적 안전성 등 뚜렷한 장점을 가지고 있다. 그 연료인 중수소는 해수에서 추출할 수 있으며 1리터의 해수에서 추출한 중수소의 융합으로 방출되는 에너지는 300 리터의 휘발유를 연소시킨 것과 동등하다. 반응 생성물은 헬리움으로 방사성 페기물을 생성하지 않는다. 또한 일단 이상이 발생하면 반응이 자동으로 중단되여 폭발 위험이 존재하지 않는다. 이러한 특성들로 인해 핵융합은 인류의 에너지 문제를 해결할 리상적인 방안이 되고 있다.

전세계적으로 제어 가능한 핵융합 연구개발은 가속화되고 있다. 국제핵융합실험로(ITER)는 세계 최대의 핵융합 연구 공학 프로젝트로서 30여개국이 공동 참여하여 ‘전자기 심장’인 펄스 초전도 전자석 시스템(脉冲超导电磁体系统)의 모든 구성 요소 조립을 완료했다. 국제핵융합실험로는 완전 가동 시 50 메가와트의 입력 가열 전력으로 500 메가와트의 핵융합 출력을 생성할 계획이며 10배의 에너지 증가는 핵융합의 실현 가능성을 립증할 것이다. 국제핵융합실험로 기구 사무총장 피에트로 바라바스키는 중국의 기여를 높이 평가하며 중국이 부품 인도와 장비 설치 측면에서 지속적으로 증가하는 노력을 기울이고 있음을 지적했다.

중국은 제어 가능한 핵융합 분야에서 완전한 연구개발 체계를 구축했으며 2025년 이래 련이어 중대한 돌파구를 달성했다. 중국과학원합비물질과학연구원(中科院合肥物质科学研究院)의 전초전도(全超导) 토카막 장치 EAST는 2025년 1월, 1억 섭씨도 플라즈마 정상 상태 운행을 1,066초 동안 달성하여 세계 기록을 갱신했다. 중국핵공업그룹유한회사(中核集团) 산하 핵공업서남물리연구원(核工业西南物理研究院)의 ‘중국환류3호(中国环流三号)’는 2025년 3월, 원자핵 온도 1.17억도, 전자 온도 1.6억도의 ‘쌍억도(双亿度)’ 운행을 실현하여 중국의 핵융합 연구가 공식적으로 연소 실험 단계에 진입했음을 표시했다.  

중국은 ‘실험로-시범로-상업로’ 3단계 전략에 따라 핵융합 에너지 연구개발을 추진하고 있다. 합의 BEST 장치는 2025년에 공정 총조립을 시작했으며 2027년까지 세계 최초의 핵융합 에너지 발전 연시를 목표로 하고 있다. 성도는 ‘중국환류3호’ 등과 같은 장치를 통해 공정 검증의 거점이 되였으며 국제원자력기구핵융합기술협력쎈터 유치에 성공했다. 상해는 2025년 7월, 등록자본 1500억원의 중국융합에너지유한회사(中国聚变能源有限公司)를 설립하여 상업화 응용에 주력하며 2045년까지 중국 최초의 핵융합 상업용 발전소 건설을 목표로 하고 있다.

중국은 다기술 경로 병행 추진을 통해 선도적 지위를 확보하고 있다. 중국과학원과 중국핵공업그룹유한회사가 주도하는 ‘중수소―삼중수소(氘氚)’ 경로와 신오그룹(新奥集团)이 탐구하는 ‘수소―붕소(氢硼)’ 경로가 상호 발전하고 있다. 신오그룹의 ‘현룡―50U(玄龙―50U)’ 장치는 100만 암페어급(安培) 수소―붕소 플라즈마 방전을 실현하고 100% 국산화를 완수했다. 동시에 중국은 국제핵융합실험로 등 국제 협력 프로젝트에 적극적으로 참여하며 구매 패키지(采购包) 책임을 수행하는 과정에서 여러 핵심 기술을 돌파하여 국제적 발언권을 현저히 제고했다.

비록 핵융합 에너지 상업화에는 여전히 공정 규모 확대, 에너지 증가 등 과제가 남아있지만 전세계 과학연구 력량의 집결로 ‘인공 태양’의 꿈은 점점 가까워지고 있다. AI 전력 소비 급증이 예고하는 에너지 수요의 미래 속에서 중국 과학자들은 가까운 미래에 인류 력사상 최초의 ‘핵융합 등불’을 밝혀 인류 에너지 구조에 혁명적인 변화를 가져오기를 기대한다.

/종합

编辑：최화