핵융합 발전 기술과 주요국 동향

○ 핵융합 기술은 초고온의 상태로 융합된 플라즈마를 강력한 자기장을 이용해 저장하는 것이 핵심

• 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 원자에 매우 높은 에너지를 가해 원자핵과 전자가 분리된 이온화 상태, 즉 초고온의 플라즈마 상태가 유지되어야 하며 이를 강력한 자기장이나 전기장으로 제어 할 수 있어야 함

* 플라즈마는 전기적으로 대전된 입자 집합이기 때문에 자기장이나 전기장으로 가둘 수 있음

• 이에 초고온의 플라즈마를 담고 핵융합 반응이 유지되도록 가둬 둘 용기가 필요. 현재 가장 많이 사용되는 핵융합 장치는 도넛 형태의 자기장 가둠 방식을 채택한 ‘토카막(TOKAMAK)³’ 장치임

- 토카막 장치는 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공 용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어

* 고온의 플라스마를 가두는 방법에는 토카막 이외도 스텔러레이터(Stellarator), 관성밀폐(레이저 방식), 플라즈마 포커스 등이 존재

• 토카막 장치 내에서 플라스마를 생성하더라도 안정적 상태를 유지하려면 강력한 자기장이 필요

- 자기장은 플라즈마를 감싸서 도넛형 진공 챔버 중앙에 부양 상태를 유지하는 역할을 함

• 강력한 자기장을 형성하려면 주변에 초전도 자석을 둘러야 하는데, 이를 위해서는 영하 269도까지 냉각해야 해 기술적 구현이 쉽지 않음

○ 미국과 중국은 기술적 어려움을 극복하고 일부 시험 가동에 성공하며 핵융합 기술 상용화에 근접

• 전 세계 핵융합 발전을 선도하는 미국은 2020년대 바이든 행정부 이후 핵융합 연구 가속화 정책을 추진하며 기술 혁신에 박차를 가하고 있음

- 미국은 2030년 핵융합 상용화를 목표로 33개 이상의 핵융합 기업이 활발한 연구를 진행 중

• 미 에너지부 산하 로런스리버모어국립연구소(LLNL)는 2022년 세계 최초로 핵융합 점화(발전 시작점의 투입량 대비 더 많은 에너지 생산)에 성공한 데 이어 2023년 두 번째 점화에도 성공하며 핵융합 발전 상용화의 이정표로 기록될 만한 쾌거를 거둠

• 매사추세츠공과대학(MIT) 스핀오프 기업 커먼웰스퓨전시스템(CFS)은 2027년 완공을 목표로 강력한 자석을 사용하는 상온 핵융합 발전소 ‘스파크(SPARC)’를 개발하여 세계 최초로 핵융합 기술 상용화에 도전할 전망

• 중국 또한 핵융합 기술 개발에 적극적이며, 대표적 핵융합 발전 프로젝트인 ‘핵융합 유도 토카막 실험장치(EAST)’로 초전도 토카막을 이용해 플라즈마 온도와 유지 시간 면에서 세계 신기록을 수립

- 지난 1월, 세계 최초로 1억도의 플라즈마를 약 17분 46초 동안 안정적으로 유지하는 데 성공

• 중국은 여기서 그치지 않고 차세대 핵융합 실증 장치인 ‘BEST(Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak)’ 프로젝트를 진행하기 위해 안후이성 허페이에 2027년 완공을 목표로 초전도 토카막 핵융합로를 건설 중

- BEST 프로젝트는 플라즈마 성능을 극대화한 EAST 프로젝트 이후 차세대 상용 핵융합 발전을 위해 버닝 플라즈마 상태를 실험하고 기술을 검증할 계획

• 지난 7월에는 중국국가원자력공사(CNNC)가 전액 출자한 자회사 ‘차이나퓨전에너지(China Fusion Energy)’를 공식 출범하며 핵융합 발전 개발을 본격화

* 차이나퓨전에너지는 중국의 장기 전략 에너지 계획의 일환으로 핵융합 기술 개발을 주도할 전망

○ 프랑스에서는 한국을 비롯한 주요국들이 기술 개발을 위해 협력 중인 초대형 사업 ‘국제핵융합실험로(ITER, International Thermo nuclear Experimental Reactor)⁴’ 프로젝트가 진행 중

• ITER는 프랑스 남부 카다라슈 지역에 핵융합실험로를 건설 중인 국제 협력 프로젝트로, 핵융합 연소 최종 공학적 실증(열 출력 500MW, 에너지 증폭률 10배)을 목표로 함

- 한국·미국·러시아·EU·일본·중국·인도가 참여하며 총 35개국 이상의 협력국이 할당된 부품을 자체 제작·조달 후 현장 설치·운영하는 방식으로 진행

• ITER 프로젝트는 당초 2025년 완공을 목표로 했으나 코로나19로 인한 공급망 차질, 설계 오류 등이 복합적으로 발생하면서 완공 시기가 2034년 이후로 연기됨

- 2016년(2025년으로 연기)에 이어 두 번째 가동 일정이 연기되었으며, 가동 후 실제 핵융합 반응 실험은 2039년 이후에나 가능할 것으로 예상

• 국제 협력 사업인 ITER 핵융합 개발 프로젝트가 지연되면서 미국과 중국을 중심으로 개별 국가 및 민간 기업의 단독 프로젝트가 상용화를 위한 개발을 가속화

- 주요국들이 자국 기술 개발을 우선시할 경우 국제 협력이라는 초기 의미가 희석될 수 있음