[기고]"소형화되는 핵융합 장치, 상용화 문 두드리다"
지난 6월 말, 구글은 핵융합 발전 기업 커먼웰스 퓨전 시스템즈(CFS)와 전력 구매 계약을 체결했다. 공급 규모는 200㎿로, 핵융합에너지 분야에서 지금까지 공개된 계약 가운데 최대 수준이다. 핵융합 발전이 아직 상용화되지 않은 단계임을 감안하면, 구글의 이 같은 결정은 매우 이례적으로 보일 수 있다. 그러나 급증하는 에너지 수요와 AI 등 첨단 기술의 본격 확산을 고려할 때, 안정적인 청정에너지 확보는 기업의 생존 전략과 직결된 사안이다. 구글만이 아니다. 핵융합에너지의 가능성과 잠재력에 배팅하는 빅테크 기업이 늘고 있다. CFS는 2022년 자체 개발한 소형 핵융합로 스팍(SPARC)을 통해 핵융합 상용화 선두 주자로 언급되고 있다. 구글과의 계약에 앞서 MS 창업자 빌 게이츠, 아마존 창업자 제프 베이조스 등으로부터 약 20억 달러(약 2조 7,500억 원)의 자본을 조달했다. 또 다른 핵융합 스타트업인 헬리온에너지 역시 챗GPT의 아버지 샘 알트먼 등으로부터 약 10억 달러(1조 4,000억 원) 이상의 투자를 유치했다. 빅테크 기업들의 핵융합 투자가 늘고 있는 이유는 두 가지다. 첫째는 앞서 언급했듯 AI 확산 등으로 엄청난 전력이 필요해지면서 안정적인 에너지 확보가 시급하기 때문이다. 둘째는 소형 핵융합로 등 혁신 기술의 발전으로 상용화가 현실적인 목표로 다가왔기 때문이다. CFS와 헬리온에너지 역시 차세대 소형 핵융합로 개발에 집중하고 있다. 이 같은 민간 주도 기술 개발이 활발해지는 가운데, 최근에는 정부 주도 대형 핵융합 프로그램들 역시 소형 장치 실증에 초점을 맞추는 방향으로 전략을 전환하고 있다. 영국은 2040년까지 핵융합 전력생산 실증을 목표로 'STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)' 장치를 개발하고 있다. 중국은 연소 플라즈마 실현을 목표로 차세대 장치 'BEST(Burning Plasma Experiment Superconducting Tokamak)'를 개발 중이다. 유럽연합도 디버터 성능 검증을 주목적으로 하는 'DTT(Divertor Tokamak Test facility)'를 건설 중이다. 이들 장치는 공통적으로 장치의 소형화와 실증 중심 설계를 통해 상용화 가능성을 높이려는 전략적 시도를 보여주고 있다. 이처럼 소형 핵융합로 개발이 활발해지는 가운데, 고온 초전도체는 핵융합로 소형화를 위한 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있다. 기존 극저온 초전도체에 비해 더 높은 자기장을 생성할 수 있으며, 다양한 냉각 시스템을 활용해 장치 소형화와 고효율화를 가능하게 한다. 다만, 냉각 안정성, 재료 특성, 자기장 균일성 확보 등에서 여전히 기술적 도전이 존재하며, 이를 극복하기 위한 지속적인 연구개발과 국제 공동 대응이 요구된다. 더불어, 장치가 작아질수록 동일한 수준의 핵융합 출력을 위해서는 더 높은 성능의 플라즈마 운전이 요구된다. ITER 대비 최대 세 배 이상의 고성능 시나리오가 필요하며, 이를 위한 정밀한 제어 기술 개발이 중요하다. KSTAR와 같은 실험 장치를 활용한 시나리오 실증과 함께 AI 기술을 접목한 디지털 트윈 기반 운전 시뮬레이션 등도 중요한 역할을 할 수 있다. 또한 핵융합 플라즈마와 직접 접촉하는 디버터, 중성자에 장기간 견딜 수 있는 저방사화 구조재, 삼중수소 연료 재생산을 위한 블랑켓 재료 등 극한 환경용 핵심 재료에 대한 자립 기술 확보도 병행되어야 한다. 이러한 재료 기술은 핵융합 상용화의 전제 조건이자, 산업적 파급 효과가 큰 분야로 꼽힌다. 이러한 핵심 기술의 개발과 실증을 위해서는 앞으로 공공과 민간의 긴밀한 협력이 필수다. 정부출연연구기관은 기초 원천기술 개발과 대형 인프라 구축을 주도하며 장기적 기술 기반을 마련해야 하며, 민간은 빠른 의사결정과 상용화 중심의 기술 개발을 통해 혁신의 가속화를 견인할 수 있어야 한다. 특히 소형 장치 실증과 같은 상용화 전환 단계에서는 양자의 역할이 유기적으로 맞물릴 때, 비로소 실현 가능성이 높아진다. 공공과 민간이 각자의 강점을 살려 전략적으로 협력할 때, 핵융합 상용화는 더욱 현실적인 목표가 될 수 있다. 소형 핵융합로 건설을 중심으로 핵융합 상용화를 위한 실증 단계가 세계적으로 본격화되고 있는 지금, 우리나라도 전력 생산을 실증할 장치 구축이 현실적인 과제가 되고 있다. 우리나라는 2000년대 초 KSTAR를 통해 세계 최초의 초전도 핵융합실험장치를 개발하며, 상전도 자석 중심이던 당시의 장치 개발 패러다임을 초전도 자석 시대로 전환시키는 흐름을 선도했다. ITER 사업 등을 통해 극저온 초전도체 분야에서도 세계적인 기술력을 축적해왔으며, 이러한 경험과 기술은 고온 초전도체, 고성능 운전기술, 극한 재료 기술 등 핵융합 상용화의 핵심 요소 기술 개발에 효과적으로 접목될 수 있는 기반이 된다. KSTAR로 핵융합 장치의 새로운 기준을 제시한 한국의 도전이, 상용화 실증 단계에서도 다시 한 번 세계 흐름을 이끄는 혁신으로 이어지기를 기대한다.
