에너지
콜드 퓨전, 뜨거운 플라즈마 없이 청정 에너지에 대한 꿈을 다시 불러일으키다
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핵융합은 뜨거운 융합만을 의미할까?
핵융합은 에너지 연구의 성배이다. 이는 방대한 양의 청정 에너지를 제공하며, 핵폐기물이나 탄소 배출이 없고, 우주 물질의 대부분을 차지할 정도로 풍부한 연료를 사용한다.
하지만 이를 달성하는 것은 매우 어렵다. 현재 우리가 알고 있는 핵융합이 일어나기 위해서는 별 내부의 조건, 즉 수천만에서 수억도에 달하는 엄청난 압력과 온도를 재현해야 하기 때문이다.
이러한 조건은 강력한 자기장을 이용해 초고온 플라즈마를 가두고 압축하거나, 수백 개의 강력한 레이저를 동기화하여 같은 지점을 향하도록 함으로써 달성될 수 있다. 그러나 이 모든 방법은 핵융합을 시작하는 데 사용된 에너지를 회수할 만큼 충분히 오래 반응을 지속시키는 데 어려움을 겪는다.
출처: IEEE
핵융합 기술의 복잡성과 그것이 우리 에너지 문제를 해결할 잠재력에 대해서는 우리 기사 “핵융합 – 지평선에 보이는 궁극적인 청정 에너지 솔루션”에서 자세히 다루었다.
하지만 고출력 플라즈마 물리학 대신 물질 과학, 희귀 금속, 화학을 이용해 다른 환경에서 핵융합이 일어날 수 있다면 어떨까?
이는 “콜드 퓨전”이라는 약속이다. 이 분야는 오랫동안 비과학적이라고 여겨졌으며 과학계의 조롱을 받아왔다. 그러나 권위 있는 학술지 Nature에 “중수소화 티타늄 분말의 음향 공동현상 중 중성자 방출 관측”이라는 논문이 발표되면서 상황이 바뀌었다.
콜드 퓨전의 역사
1989년, 스탠리 폰스와 마틴 플라이슈만은 콜드 퓨전을 달성했다고 주장했다. 안타깝게도 과학계가 수년간 재현을 시도했지만 아직 성공하지 못했으며, 열악한 과학 품질 혹은 명백한 사기라는 비난을 받았다.
이 논란은 이 개념의 이미지를 영구적으로 손상시켰다. 또한 아마추어, 사기꾼, 그리고 “발명가”라 자칭하는 이들이 동료 검토와 과학적 검증을 회피하면서 이 분야에 대한 비진지적인 인식을 강화했다.
그럼에도 불구하고 소수의 과학자들은 여전히 연구를 지속하고 있다. 이들은 보통 저에너지 핵반응(LENR), 응집 물질 핵과학(CMNS), 혹은 화학 보조 핵반응(CANR)이라는 덜 논란이 되는 명칭을 사용한다.
2020년대에 들어서면서 이 분야에 대한 새로운 관심이 일었다. 이는 아마추어 연구에 대한 낙인을 벗어나려는 움직임과 맞물렸다. 특히 미국 정부 기관 ARPA‑E가 2023년에 저에너지 핵반응(LENR) 연구 그룹에 소수의 보조금을 제공하면서, 2020년 NASA 연구진이 달성한 흥미로운 결과와도 연결되었다.
NASA 팀은 자신들의 방법을 “격자 구속 융합”이라고 명명했다. 그들은 자신들의 연구가 콜드 퓨전이 아니라특수 형태의 뜨거운 융합이라고 주장했다.
그럼에도 불구하고 플라즈마 없이 융합을 일으킨 사실은 핵융합이 이전에 생각했던 것보다 다양한 방식으로 달성될 수 있음을 보여주며, 실제 콜드 퓨전도 여전히 가능성 있는 분야임을 시사한다.
콜드 퓨전의 두 가지 주요 개념
금속 구동 융합
1989년 폰스와 플라이슈만이 처음 제안한 콜드 퓨전 방법으로, 수소 원자를 가두고 서로 융합하도록 금속의 형태 변화를 이용한다. 이를 위해 팔라듐, 이븜, 티타늄과 같은 수소가 주입된 금속이 제안되었다.
일반적인 개념은 금속 격자가 수소 원자를 흡수하고 서로 가까이 배치하면서 형태가 변하면, 이 과정이 수소 원자들이 헬륨으로 합쳐지는 것을 촉진할 수 있다는 것이다.
완전히 불가능한 것은 아니지만, 물리학자들은 처음부터 회의적이었다. 수소 핵이 서로를 밀어내는 전자기적 반발을 극복하기 위해서는 거대한 에너지 수준이 필요하기 때문이다.
버블 융합
또 다른 아이디어는 거품이 붕괴될 때 핵융합이 일어날 수 있다는 것이다. 예를 들어, 초음파에 노출된 물속에서 거품이 형성될 수 있는데, 이는 종종 “소노퓨전”이라고도 불린다.
이론적으로, 액체 속 거품이 붕괴하면서 발생하는 충격파가 충분히 강력하면 융합을 일으킬 수 있다. 이는 레이저에 의해 유도되는 충격파와 크게 다르지 않다.
또한 공동현상은 매우 강력한 힘이 될 수 있다. 예를 들어, 거품 붕괴만으로도 보트 프로펠러의 금속을 쉽게 절단할 정도다.
출처: Britannica
현대 연구 주제 중 하나는 고강도 초음파 파에 의해 생성된 공동이 붕괴될 때 빛이 방출되는 현상이다. 이 효과는 소노루미네선스라고 불리며, 순간적인 온도가 태양 표면보다 더 뜨거워질 수 있다.
소노루미네선스가 “태양 표면보다 더 뜨거운 온도”에서 발생한다면, 이론적으로 핵융합도 가능할 수 있다.
이 아이디어는 “고전적인” 격자 콜드 퓨전과 마찬가지로 논란이 많으며, 주요 촉진자는 크게 비판받고 있다. 그러나 2013년에 논쟁이 다시 불붙었다:
오크리지 국립 연구소 기록에 대한 새로운 조사 보고서에 따르면, 2002년에 크게 알려진 실험실 핵융합 결과 자체가 의문시되고 있다.
실제로 오크리지 문서 덤프를 조사한 기자는 논란이 있던 연구자들—특히 현재 퍼듀 대학교에 재직 중인 주요 저자 루시 탈레야칸—을 지지할 수 있는 증거도 발견했다.
그럼에도 2013년의 재조사는 많은 새로운 결과를 낳지 못했으며, 이 아이디어는 “멋지지만 작동하지 않는다”는 과학사 속으로 다시 사라졌다.
2024년 발견
이는 미국의 Maximus Energy Corporation 사장인 맥스 포미체프‑자밀로프가 앞서 언급한 Nature 논문을 발표하기 전까지였다.
이 회사는 중성자 검출기, 감마 검출기, X‑ray 분광기, 디지털 펄스 프로세서, 다채널 분석기, 그리고 분광 소프트웨어 등 핵물리 실험용 도구를 판매한다.
2024년 5월, 포미체프‑자밀로프 박사는 중수소 대신 중수소(D₂O)를 사용한 중수와 티타늄 입자를 섞은 거품에서 잠재적인 융합 사건을 감지했다고 주장했다.
이론적으로 이는 티타늄 금속 격자와 소노퓨전을 동시에 결합한 형태가 된다.
우리는 몇 시간 동안 중성자 발생을 지속할 수 있었으며, 다양한 조건에서 실험을 여러 차례 반복했다.
우리는 관찰된 중성자가 티타늄 격자에 용해된 중수소 이온의 기계적 공동 제트 작용에 의해 핵융합이 일어난 결과라고 가설을 세운다.
격자 콜드 소노퓨전 살펴보기
실험 결과는 매우 흥미롭다. 피크 중성자 수가 “10,000배배경보다 초과”했을 뿐만 아니라, 보조 음향파가 구성적으로 간섭하여 수천 psi 수준의 급격한 압력 피크를 만들 때만 발생했다.
중성자 생산은 몇 시간 동안 지속될 수 있었다.
실험 설비가 놀라울 정도로 컴팩트하고, 핵물리 검출기와 도구의 비교적 “일반적인” 부품을 사용한다는 점에서 다른 연구자들이 재현하고 테스트하기가 비교적 용이하다.
출처: Nature
이와 더불어 포미체프‑자밀로프 박사가 원시 데이터를 공유하고 실험 설비를 공개한 것은 “비밀 레시피”가 지배적인 이 분야에서 신선한 움직임이다.
느린 진행
아마도 더 가치 있는 점은 논문에 무엇이 작동하지 않았는지에 대한 다수의 고백이 포함돼 있다는 것이다. 이는 콜드 퓨전 열광자들이 흔히 회피하는 부분이다.
광유에서 중수소 거품을 공동현상시키는 시도는 거품 크기, 압력 진폭, 주파수, 계면활성제 추가 여부와 관계없이 전혀 효과가 없었다. 중수소 액체 방울도 작동하지 않았다.
이러한 “실패”는 중성자 검출이 실험 설비의 오류나 측정 인공물일 가능성을 보여준다. 그러나 중수소화 티타늄 입자와 중수소(D₂O)를 추가하자 중성자 플럭스가 감지되었다.
더 흥미로운 점은 중성자 스파이크가 음향파와 동기화되어 규칙적으로 발생했다는 것이다.
출처: Nature
마찬가지로, 배경 소음 및 다른 신호와 구별되는 중성자 스파이크는 5시간 동안 샘플을 관찰하고 음향파를 시작했을 때 명확히 보인다.
출처: Nature
이러한 결과는 반복적으로 얻어졌으며, 6개월에 걸쳐 추가 분석을 진행해 우연이나 재현 불가능한 특수 사례일 가능성을 크게 낮췄다.
아직 확정적인 증거는 아니다
논문은 콜드 퓨전이 중성자 플럭스를 설명하는 유일한 설명이 아니라고 인정한다.
증명된 점은 중수소화 티타늄 입자 + 중수소(D₂O) + 음향파/공동현상으로 중성자가 방출된다는 것이다.
예를 들어, 실험 조건이 스팔레이션이라는 현상을 일으킬 수 있다. 이는 고에너지 입자가 핵을 분해해 구성 요소로 나누는 과정으로, 이론적으로 중성자 검출을 초래할 수 있다.
출처: Springer
따라서 반응에 대한 추가 분석이 필요하며, 이는 추가적인 분광학적 연구를 요구한다.
설계 개선
물론, 이러한 결과는 다른 연구자들에 의해 재현되어야 완전한 신뢰를 얻을 수 있다.
더 많은 데이터가 수집되어 중성자 생산을 최적화하고 잠재적인 융합 반응을 이해하는 데 필요하다.
재료
이 논문에 따르면, 티타늄/중수소 분말을 오일에 혼합한 상태는 최소 6개월 동안 붕괴와 분리 없이 안정적이었다.
하지만 이러한 잠재적 콜드 퓨전 진행을 실제로 활용하기 전에, 과정에서 어떤 물질이 소비되는지 알아야 한다.
격자 콜드 소노퓨전 메커니즘
작동 가설은 공동 제트가 관찰된 중성자 스파이크와 추정된 핵융합을 일으키는 원인이라는 것이다.
이 제트는 “티타늄 격자에 저장된 중수소 이온을 압축하는 피스톤 역할”을 할 수 있다. 이 경우 제트의 물질은 크게 중요하지 않으며, H₂O 방울도 D₂O 방울만큼 효과적이어야 한다.
또는 “제트가 중수소 이온을 포함하고, 작용 메커니즘은 중수소 표적에 충돌하는 이온 빔과 같다”일 수도 있다.
이 두 가설을 구분하는 것이 포미체프‑자밀로프 박사의 다음 단계가 될 것이다.
NASA 연구와의 연관성?
우리는 2020년 NASA 과학자들이 발견한 “콜드도 아니고 플라즈마도 아닌 융합” 방법이 강력한 전자를 이용해 입자 충돌 연쇄를 촉발시켜, 결국 중수소 원자 하나가 융합을 일으키도록 가속한다는 점을 주목해야 한다.
그 장벽을 극복하려면 입자 충돌 연쇄가 필요하다. 먼저 전자 가속기가 전자를 가속시켜 텅스텐 표적에 충돌시킨다. 빔과 표적의 충돌은 고에너지 광자를 생성한다. 이는 일반적인 X‑ray 기계와 동일하다.
광자는 중수소가 함유된 이븜 또는 티타늄 샘플로 집중·지향된다. 광자가 금속 내 중수소와 충돌하면, 고에너지 양성자와 중성자를 방출한다. 그 중성자는 또 다른 중수소와 충돌해 가속한다.
이미 원자 수준에서 태양 표면보다 뜨거운 순간 온도를 만들 수 있다고 알려진 공동현상이 입자 가속기 없이도 동일한 과정을 재현할 수 있을까?
청정 에너지 해결?
이 발견이 확인되고 완성된다면, 핵융합 문제를 해결한 것인가? 청정하고 풍부한 에너지가 시간 문제가 된 것인가? 어쩌면 그렇지만, 아직 중요한 데이터 포인트가 하나 부족하다: 중성자가 방출된다는 것은 알지만, 시스템이 얼마나 많은 에너지를 방출하는지는 알 수 없다.
따라서 지금까지 뜨거운 융합에서 겪어온 “소비보다 더 많은 에너지를 생산한다”는 문제는 콜드 퓨전에서도 동일하게 적용될 수 있다.
희망적인 점은 포미체프‑자밀로프 박사가 미국 국립 점화 시설(U.S. National Ignition Facility (NIF))과 같은 대형 설비가 아니라 실험실 벤치에서 작업하고 있다는 것이다. NIF는 192개의 강력한 레이저 빔을 통해 한 지점에 500조 와트의 피크 전력을 전달한다.
따라서 에너지 출력이 modest하더라도 입력도 그만큼 작았다고 추정할 수 있다.
핵융합에 투자하기
평판이 나빠져 물리학자에게는 경력 파멸에 가까운 아이디어였던 콜드 퓨전은 오늘날 투자자에게는 거의 접근이 불가능한 분야다.
중수는 전 세계적으로 거래 규모가 161억 달러에 불과하며(현지 생산량은 약간 더 많음), 캐나다가 가장 큰 수출국이다. 주요 공급업체 중 하나는 Sigma‑Aldrich이며, 이는 Merck KGaA (MRK.DE ) (MRK.DE)의 계열이다.
현재 상업적으로 실현 가능한 뜨거운 핵융합을 목표로 하는 기업들은 공개적으로 상장돼 있지 않다. 여기에는 Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, 그리고 NEO Fusion이 포함된다.
Dealroom의 전용 페이지에서 핵융합 분야 스타트업 전체 목록을 확인할 수 있다.
이 분야를 장악하고 있는 사기업들 사이에 눈에 띄는 예외는 방위 산업 거인 Lockheed Martin Corporation (LMT ) 이다.
1. Lockheed Martin Corporation
LMT 가격 차트
2010년대 초반부터 Lockheed는 Compact Fusion이라는 핵융합 반응기를 개발해 2020년대에 실용화할 계획이었다. 그러나 2021년에 해당 프로젝트가 중단됐다고 발표되었다.
초기 발표 이후 이 프로젝트에 대해 매우 신중한 태도를 유지해 왔다. 현재까지 왜 회사가 이 아이디어를 포기했는지 명확히 밝혀지지 않았다.
동시에 완전히 포기한 것은 아닌 듯 보이며, 2024년 Helicity에 대한 투자와 같이 여전히 관련 연구에 관여하고 있다.
Helicity는 플라즈마 건을 이용해 우주선 추진을 목표로 하는 스타트업으로, General Fusion과 유사한 접근 방식을 사용한다.
잠재적으로 Lockheed 내부 결과는 설계가 에너지 생산에 적합한 형태로 융합을 지속시키지 못한다는 것을 보여준다.
하지만 짧은 폭발이 우주 추진에 충분할 수 있으며, 이는 회사의 항공우주·방위 중심 프로필과 더 잘 맞는다.
2. General Fusion
General Fusion은 핵융합을 민간 부문 사업으로 전환하려는 선두 스타트업 중 하나다.
이 회사는 2002년에 설립되어 Magnetized Target Fusion(MTF) 기술을 개발하고 있다.
MTF는 회사가 에너지 양성 융합에 더 짧은 경로이며 비용도 훨씬 낮다고 기대한다. General Fusion은 2010년에 세계 최초로 전력 플랜트 규모의 콤팩트 토로이드 플라즈마 인젝터를 구축·시운전했으며, 이후 다수의 이정표를 달성했다.
출처: General Fusion
회사는 2025년에 1억 도씨의 온도에 도달해 융합을 달성하고, 2026년에 에너지 수지점(양의 에너지 수익)으로 진입할 목표를 세우고 있다. 2023년에 1/5 규모 모델을 제작했으며, 성능이 컴퓨터 모델 예측과 일치했다.
전반적으로 General Fusion은 20년 동안 핵심 기술을 단계별로 구축해 왔으며, 각 단계마다 테스트와 검증을 성공적으로 수행해 왔다.
출처: General Fusion
민간 기업이기 때문에 ITER와 같은 국제 프로젝트와 달리 설계 변경에 대한 논의나 협상이 필요 없으며, 기술 선택을 순전히 성능에 따라 결정할 수 있다.
이는 많은 이들이 General Fusion과 몇몇 경쟁사가 대규모 정부 프로젝트가 달성하기 어려운 목표를 실현할 수 있을 것으로 기대하는 이유다.
3. TAE Technologies
이전 명칭 Tri Alpha Energy였던 캘리포니아 기반 기업은 융합 에너지 기술 개발에 집중하고 있다. TAE Technologies는 현재 융합 플랫폼인 Norman을 6세대 기계인 Copernicus로 업그레이드하고 있다.
출처: TAE
TAE 기술은 입자 가속기를 이용해 플라즈마에 에너지를 주입하고, 이를 “두꺼워지는 물질”처럼 작용시켜 플라즈마를 보다 관리하기 쉽게 만든다.
이 회사는 Copernicus 제작에 3D 프린팅을 광범위하게 활용해 기존 제조 방식보다 절반 무게의 반응기 부품을 생산하는 등 빠른 부품 교체와 문제 해결을 가능하게 한다.
출처: TAE
모든 것이 순조롭게 진행된다면, 이 회사는 2030년대 초에 전력망에 연결할 수 있는 최초 프로토타입 발전소를 건설하고, 이를 기반으로 10년 동안 “견고하고 신뢰할 수 있는” 상업용 전력을 확대할 계획이다.
TAE의 CEO 미셸 빈더바우어는 융합이 우리를 “풍요의 패러다임”으로 이끌 것이라고 말했다.
지난 25년간 이 회사는 “마일스톤 기반 자금 조달” 모델을 운영해 왔으며, 투자자는 약속된 마일스톤 달성에 따라 자금을 제공한다.
2022년 구글과 셰브런은 TAE Technologies에 2억 5천만 달러 규모의 자금을 투자했으며, 구글은 10년 넘게 TAE와 파트너십을 유지하며 AI와 컴퓨팅 파워를 제공하고 있다.
이 회사는 또한 생명 과학 서비스(보론 중성자 포획 치료 – BNCT)와 배터리 및 전동 모빌리티와 같은 전력 솔루션도 제공한다.
(CVX )4. Helion
Helion은 트리튬 대신 중수소와 헬륨‑3을 이용한 융합을 목표로 한다.
보통 헬륨‑3은 매우 희귀하지만, Helion은 자체 반응기에서 중수소를 이용해 헬륨‑3을 생산하는 방법을 보유하고 있다. 그렇지 않다면 달에서 채굴하는 등 미확인 대안이 필요했을 것이다.
대다수 민간 융합 기업과 마찬가지로 Helion은 플라즈마 주입 기술을 사용한다.
Helion만의 독특한 특징은 플라즈마에서 직접 전기를 포획하는 것으로, 파라데이 법칙을 이용해 전류를 유도함으로써 전통적인 원자력 발전소에서 흔히 쓰이는 증기 가열 사이클을 건너뛴다.
이 접근법은 대담하지만, 열‑증기‑전력 변환 효율이 낮은 기존 방식에 비해 2~3배의 전력 생산량을 늘릴 수 있다. 또한 설비 투자비용이 크게 증가한다.
Helion의 융합 발전소는 연료 비용이 거의 없고, 운영 비용이 낮으며, 가동 시간이 길고, 자본 비용도 경쟁력 있다. 우리 기계는 대형 증기 터빈, 냉각탑, 전통적인 융합 접근 방식에 필요한 기타 비싼 설비가 필요 없기 때문에 자본 장비 비용이 훨씬 낮다.
Helion은 현재 Trenta를 운영 중이며, 이는 6세대 반응기로 10,000회 이상의 펄스와 1억 도씨 이상의 온도를 달성했다.
출처: Helion
현재 Helion은 Polaris로 전환 중이며, 차세대 모델은 Trenta보다 100배 빠른 자기 펄스를 제공해 최초로 전기 순이득을 내는 핵융합이 될 것으로 기대된다.
Polaris는 길이가 19m에 달해 기존의 거대한 융합 반응기 설계와는 크게 다르다는 점도 주목할 만하다.
