첫 상업용 핵융합 프로젝트 발표

핵융합, 궁극적인 에너지 원

As stable, reliable, cheap, and carbon-neutral energy supplies become an increasingly pressing issue, all eyes have been on nuclear solutions.

여기에는 우라늄, 토륨 또는 플루토늄과 같은 무거운 원자를 분열시키는 핵분열이 포함됩니다. 이 기술은 급격히 부활하고 있습니다 on the back of the phasing out of coal and gas power plants, despite the need for baseload power generation, as well as the trends of electrification of transportation, heating, and industrial production.

하지만 이 기술은 문제 없이 진행되는 것은 아닙니다, 더 진보된 4세대 원자력 발전소에서도 마찬가지입니다. 가장 눈에 띄는 문제는 여전히 고방사성 물질을 취급해야 한다는 점이며, 대중은 여전히 이에 대해 경계하고 있으며 완전히 환경적으로 중립적이 될 수 없습니다.

이 때문에 과학자들은 태양을 움직이는 현상과 같은 수소 원자를 융합하는 핵융합의 가능성을 연구해 왔습니다.

출처: Nature

이는 우주에서 가장 풍부한 원소인 연료를 사용하고 무해한 헬륨이나 리튬만을 생산합니다. 또한 폭발이나 연쇄 반응의 위험 없이 사실상 무한에 가까운 에너지를 제공할 만큼 강력합니다.

문제는 필요한 조건을 만들기가 너무 어려워 현재까지 어떤 핵융합 반응기도 상업화에 근접한 적이 없다는 점입니다.

이는 최소한 Commonwealth Fusion Systems (CFS)에 따르면 10년도 채 안 되어 변할 수 있습니다. 이 회사는 버지니아에 최초의 상업용 핵융합 반응기를 건설하기 위해 나아가고 있다고 방금 발표했습니다.

CFS 반응기 프로젝트

Commonwealth Fusion Systems는 ARC 반응기가 버지니아 전력망에 400MW를 생산하도록 목표하고 있으며, 이는 150,000가구에 전력을 공급할 수 있는 양입니다.

이는 핵융합 분야에 대한 급진적인 진전으로, 최초의 대규모 반응기가 20~30년 뒤에야 가능할 것처럼 보였습니다. 거대한 국제 프로젝트인 ITER(국제 열핵 실험 반응기)조차도 2039년 이전에 완공될 것으로 예상되지 않습니다.

이에 비해 CFS 반응기는 에너지 기업 Dominion (D )이 소유한 부지에 건설될 예정이며, 2030년 초에도 실현 가능하다고 보고 있습니다.

“우리 고객들의 증가하는 신뢰할 수 있는 무탄소 전력 수요는 가능한 한 다양한 전력 생산 옵션을 통해 혜택을 받을 수 있으며, 이러한 정신으로 우리는 CFS의 노력을 돕게 되어 기쁩니다.” Edward H Baine – Dominion 사장

Commonwealth Fusion Systems

CFS 기술

To understand how realistic this project is, we need to look at CFS history. The company was spun off MIT in 2018 and has raised $2B since, notably from Italian oil giant Eni. CFS is developing a fusion reactor based on the “classic” tokamak design, which forms a plasma in a torus (donut shape).

출처: DOE

(핵융합 및 다양한 반응기 설계에 대해 더 알아보려면 “Nuclear Fusion – The Ultimate Clean Energy Solution on the Horizon“와 초전도성에 대해 “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution“를 참고하십시오)

CFS는 MIT와 협력해 개발한 고온 초전도(HTS) 자석을 사용합니다. 이 자석은 중수소-삼중수소 플라즈마를 제어하고 압축하여 핵융합을 일으킬 것입니다.

액체 “블랭킷”이 그 에너지를 열로 포착한 뒤, 이를 물에 전달하여 증기 터빈을 구동하고 전력을 생산합니다. 중수소는 거의 모든 곳에서 구할 수 있으며 해수에서 추출할 수 있고, ARC 블랭킷은 자연스럽게 삼중수소를 생산합니다.

2021년에 20테슬라 HTS 자석을 개발했습니다, an improvement of 100-1,000x in previous magnet performance and the largest ever built.

이 자석들은 현재 새로운 사상 최고 기록 설계인 Central Solenoid Model Coil (CSMC)에 조립되고 있습니다. 2024년, 회사는 이 자석에 전력을 공급하는 고전류 밀도·고온 초전도 케이블 기술을 발표했습니다.

연료 사용량은 모든 핵융합 기술과 마찬가지로 매우 소형화될 것입니다:

“소량만 필요하기 때문에, 새로운 플랜트가 가동될 때 ARC 연료 30년분을 한 대의 트럭으로 운송할 수 있으며, 향후 가격 변동 위험이나 전 세계적으로 복잡한 공급망과의 연계가 없습니다.”

예정된 차세대 반응기 시리즈

HTS 자석은 SPARC을 구축하는 데 사용될 예정이며, 이는 수소 플라즈마를 점화하여 소비보다 더 많은 에너지를 생산하는 최초의 순에너지 핵융합 반응기가 되는 것을 목표로 합니다.

SPARC은 이미 매사추세츠에 위치한 CFS 캠퍼스에서 건설 중이지만 아직 첫 플라즈마를 생성하지는 않았습니다.

출처: CFS

SPARC 시범기가 순조롭게 진행된다면, 버지니아에 건설될 ARC가 다음 단계가 될 것입니다.

출처: CFS

SPARC이 기술을 시험하는 반면, ARC는 설계의 경제성을 시험할 것입니다. 각 ARC는 대형 매장 정도의 크기로 비슷한 부지 요구사항을 가집니다.

출처: CFS

다음 단계는 ARC를 대량 생산하여 제조 비용을 낮추고 연구개발 비용을 분산시키는 것입니다.

진지한 지지

CFS는 Dominion과 Eni뿐만 아니라 2022년에 5년 협력 계약을 체결한 영국 원자력청(UK Atomic Energy Agency)으로부터도 지지를 받고 있습니다.

The research efforts of CFS were financed by awards from two US Department of Energy efforts, Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA–E) and Fusion Energy Sciences (FES).

The MIT’s experts are also closely involved with CFS:

“TFMC의 임무가 지속적인 강도를 입증하는 것이었다면, CSMC는 속도를 입증해야 했습니다.

수백 명의 손이 설계도에서 시작해 길고 복잡한 시험 프로그램에 이르기까지 이 코일을 다루었습니다. 이 긴밀한 팀이 보여준 독창성, 인내심, 그리고 열정은 그들의 노력으로 탄생한 코일만큼이나 인상적이었습니다.”

Ted Golfinopoulos, one of the MIT Principal Investigators on fusion reactors.

CFS 평가

Commonwealth Fusion Systems의 자석 기술 성과는 세계 수준입니다. 토카막 반응기의 핵심 개념인 안정적인 자기 구속은 핵융합 퍼즐을 푸는 데 필요한 누락된 열쇠가 될 수 있습니다.

어쨌든 이는 핵융합 적용뿐만 아니라 매우 가치 있는 기술이 될 것입니다.

하지만 CFS 목표와 일정에 대해 얼마나 낙관적인지는 아직 판단하기 이릅니다. 핵융합 분야는 유망한 프로토타입이 많지만 기대만큼 안정적이거나 생산적이지 않은 경우가 많습니다.

따라서 CFS 자석의 추가 전력이 신뢰할 수 있고 수익성 있는 핵융합 플라즈마를 생산하기에 충분한지 여부는 불분명합니다.

가능한 미해결 문제의 예로, 반응기 내부의 삼중수소 생산 블랭킷이 플라즈마 생성이 원활하더라도 기대만큼 생산적이거나 내구성이 없을 수 있습니다. 또한 수십 년 운영 동안 반응기에 손상을 주지 않고 전력을 회수해 전기로 변환하는 것이 어려울 수 있습니다.

하지만 CFS와 Dominion Energy가 보여준 자신감은 핵융합이 큰 진전을 이루고 있음을 보여줍니다. 실시간으로 새로운 소재를 개발하거나 플라즈마를 안정화시킬 수 있는 AI와 결합한다면, 우리는 무한하고 저렴한 에너지에 1~2십 년 정도만 남은 상황일 수 있으며, 이는 즉시 대규모 담수화, 우주 탐사, 실내 농업 등을 가능하게 할 것입니다.

핵융합 기업

현재 핵융합을 상업적으로 실현하려는 전용 기업 중 공개 상장된 회사는 없습니다. 여기에는 Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, 그리고 NEO Fusion이 포함됩니다.

You can find an Dealroom 전용 페이지에서 핵융합 분야 스타트업의 방대한 목록.

하지만 여전히 하나의 상장 기업이 핵융합 분야에 활발히 참여하고 있으며, 개념을 에너지 생산에서 우주 추진으로 전환하고 있습니다: Lockheed Martin.

Lockheed Martin Corporation

민간 상장 스타트업이 이 분야를 장악하고 있는 가운데 눈에 띄는 예외는 방위 산업의 거인인 상장 기업 Lockheed Martin Corporation입니다.

Lockheed는 2010년대 초부터 2020년대에 준비될 것으로 기대한 Compact Fusion이라는 핵융합 반응기 개발에 착수했습니다. 그러나 2021년에 해당 프로젝트 작업이 중단되었다는 발표가 있었습니다.

이 회사는 초기 공개 발표 이후 이 프로젝트에 대해 매우 신중하게 행동해 왔으며, 현재까지도 회사를 포기하게 만든 원인이 무엇인지 명확하지 않습니다.

동시에, 2024년에 헬리시티(Helicity)라는 핵융합 엔진을 개발하는 스타트업에 투자한 것으로 보아 개념을 완전히 포기하지는 않은 듯합니다.

이 아이디어는 짧은 핵융합 폭발을 이용해 우주선을 추진하는 것입니다. Helicity는 General Fusion과 동일한 방식인 플라즈마 건을 사용할 계획입니다. 잠재적으로 Lockheed 내부 결과는 그 설계가 에너지 생산과 호환되는 방식으로 핵융합을 지속할 수 없음을 보여주었습니다.

하지만 동시에, 짧은 폭발이 우주 추진에 필요한 요구를 충족시키기에 충분하고 실제 제품에 훨씬 더 가까워질 수 있을까요? 이는 회사의 전반적인 항공우주 및 방위 중심 프로필과도 더 잘 맞을 것입니다.

You can 2024년 11월에 발행된 전용 보고서에서 무기 제조를 주요 활동으로 하는 Lockheed에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.