핵융합연 "KSTAR·ITER 비롯해 민간기업 역할 중요"

초전도핵융합연구장치(KSTAR) 내부 모습. 핵융합연 제공

핵융합에너지 구현을 위한 대형 프로젝트인 국제핵융합실험로(ITER) 건설이 지연되면서 전세계 주요국들은 각자의 방식으로 핵융합에너지 실증을 시도하고 있다. 한국핵융합에너지연구원(핵융합연)은 2040년 핵융합에너지 생산이라는 도전적인 목표로 '한국형 혁신 핵융합로(Compact Pilot Device, CPD)'를 제시하며 이를 구현할 핵심 기술로 고온초전도체와 인공지능(AI)을 꼽았다. 한국초전도핵융합연구장치(KSTAR)와 ITER 사업 참여에서 쌓은 역량을 CPD 개발에 집중해야 한다는 목소리도 나오고 있다. 

핵융합발전은 태양 같은 별의 내부에서 일어나는 핵융합 반응을 지상에서 구현해 에너지를 생산하는 방식이다. 주로 토카막이라는 도넛 모양의 장치 내부에 1억℃가 넘는 초고온 플라즈마를 자석으로 붙잡아 핵융합 반응을 일으킨다. 고온의 플라즈마를 안정적으로 오래 유지하는 것이 관건이다. 

직경 7m에 달하는 ITER와 달리 CPD는 직경 약 4m에 출력은 약 30%로 구상됐다. 토카막 방식은 이론적으로 장치의 크기가 클수록 플라즈마를 유지하기 용이하다. 토카막 핵융합로 크기가 작아지면 플라즈마를 유지하기 위해 더 강한 자석이 필요하다. 지난달 30일 만난 윤시우 핵융합연 부원장은 "ITER와 KSTAR에 적용된 저온초전도체 자석으로는 구현이 불가능하다"며 "고온초전도체 기반의 강력한 자석이 필수"라고 설명했다. 

고온초전도체는 영하 269℃보다 낮은 극저온이 필요한 저온초전도체보다 높은 온도에서 초전도 상태를 유지하는 신소재다. 저온초전도체와 물성이 달라 핵융합로에 적용하려면 추가 연구가 필요하다. 아직 고온초전도체 기반으로 핵융합로를 구현한 사례는 없다.

1일 구글은 미국 매사추세츠공대(MIT) 스핀오프 기업인 커먼웰스퓨전시스템(CFS)과 200메가와트(MW) 규모의 전기 구매 계약을 체결했다. 아직 완전히 구현되지 않은 핵융합발전으로 전기 공급을 계약한 것은 최초다.

CFS의 핵심 기술이 바로 고온초전도체다. MIT 플라즈마 과학 및 핵융합 센터(PSFC) 과학자들과 협력해 소형 핵융합로용 고온초전도체 자석을 개발하고 있다. 지난 5월 핵융합연이 고온초전도체 자석을 개발하기 위해 연구협약을 체결한 곳도 PSFC다.

윤 부원장은 CPD 계획에 대해 지난 30년간 핵융합연이 추진한 저온초전도체 기반 연구개발 방향을 고온초전도체 방식으로 급히 바꾼 것이라는 최근 지적에 대해 "오해가 있다"고 밝혔다. ITER와 KSTAR를 중심으로 한 대형 핵융합로 개발과 CPD를 별개로 봐야 한다는 것이다.

그는 "ITER가 성공적으로 구현되면 ITER를 기반으로 계획된 실증로인 K-DEMO를 건설하면 된다"며 "다만 ITER 계획이 예상보다 많이 지연되면서 그 사이에 CPD를 빠르게 실증해 보겠다는 것"이라고 말했다. 고온초전도체 기반의 핵융합로 설계안을 확보하는 연구과제는 2022년 처음 시작됐고 CPD 아이디어도 비슷한 시기에 구상이 시작됐다.

AI 도입은 부족한 핵융합 분야 인력을 메꾸고 CPD 개발 효율을 높일 것으로 기대된다. 핵융합 실험은 '샷'이라는 단위로 플라즈마 운전을 반복하며 진행된다. 한 샷이 끝나고 다음 샷이 시작되기까지 짧은 시간 안에 실험 변수를 알맞게 바꿔야 한다. 이때 AI의 빠른 데이터 처리가 큰 도움이 될 것이라는 설명이다.

CPD는 5년간 설계, 이후 5년간 건설을 완료해 2035년부터 시운전을 시작하고 2040년 상용화가 목표다. CPD 목표를 제한된 시간 안에 이루기 위해 민간 기업 참여는 선택이 아닌 필수다. 장치를 건설할 때 ITER 사업 참여와 원전 건설 등으로 쌓인 민간의 노하우가 필요하다는 것이다. CPD 설계는 개념설계 3년, 공학설계 2년으로 나뉜다. 윤 부원장은 공학설계 단계부터 민간 기업이 적극 참여해야 한다고 강조했다. 

2024년 12월 핵융합 산업화 촉진을 위한 민간 자율 협의체인 '핵융합 혁신연합'이 공식 출범했다. 핵융합연은 "해외 주요국에서는 민간 기업이 정부 재정에 의존하지 않고 민간 자본을 유치해 주도적으로 연구를 추진하고 있지만 한국은 산업화 초기 단계에 있는 만큼 공공 기술을 활용한 점진적인 민간 생태계 조성이 필요한 상황"이라고 설명했다.

KSTAR 운영과 ITER 사업 참여는 CPD 구현을 위해 계속 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. CFS를 배출한 미국도 ITER에 계속 참여하고 있고 중국의 자체 핵융합로인 '버닝 플라스마 실험 초전도 토카막(BEST)' 개발 과정에서도 ITER 구축 참여를 통해 배운 기술이 활용되고 있다.

국내 첫 핵융합에너지 분야 민간기업인 인에이블퓨전(EnF) 이경수 대표는 "KSTAR는 CPD에서 발생하는 문제를 해결하기 위해 필요한 데이터를 생산하고 서포트하도록 업그레이드해야 한다"고 말했다. 이 대표는 ITER 기술총괄 사무차장을 역임한 핵융합에너지 전문가다. 한국의 제조기술 역량을 적극 활용해 핵융합에너지 공급망을 구축·선점한다는 목표로 EnF를 창업했다.

그는 "ITER가 결론을 낼 수 있도록 한국이 지금 하는 정도의 기여를 유지하면서 얻어낸 경험치를 CPD 상용화에 활용해야 한다"며 "ITER 참여는 국내 공학자와 과학자가 핵융합 분야 역량을 쌓는 데에도 중요한 틀"이라고 밝혔다. 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]

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