첫 상업용 핵융합 프로젝트 발표

핵융합 에너지의 가능성과 과제

안정적인 저탄소 에너지 공급이 중요해지면서 원자력 기술에 대한 관심도 커지고 있습니다. 다만 신뢰성, 비용, 환경 영향은 기술과 운영 조건에 따라 평가해야 합니다.

핵분열은 우라늄이나 플루토늄 같은 무거운 원자핵을 분열시키는 기술입니다. 토륨은 일반적으로 핵연료 주기에서 분열성 물질로 전환해 이용합니다. 핵분열 발전에 대한 관심이 다시 높아지고 있습니다. 화석연료 발전의 감축과 교통·난방·산업의 전기화가 안정적인 전력 공급에 대한 수요를 늘리는 배경입니다.

그러나 비용, 건설 기간, 안전, 사용후핵연료 관리 같은 과제는 4세대 원자로에서도 검토해야 합니다. 원자력의 전 과정 환경 영향을 고려해야 하며, 저탄소라는 표현이 환경 영향이 전혀 없다는 뜻은 아닙니다.

핵융합은 가벼운 원자핵을 결합해 에너지를 얻는 과정으로, 태양의 에너지원이기도 합니다. 지상에서 개발하는 방식은 태양 내부의 반응 조건과 같지는 않습니다.

출처: Nature

중수소-삼중수소 핵융합은 헬륨과 고에너지 중성자를 만듭니다. 중수소는 물에서 얻을 수 있지만 방사성 삼중수소의 공급과 증식이 필요하고, 중성자는 구조재를 방사화할 수 있습니다. 핵분열과 같은 연쇄반응은 없지만 방사선, 열, 연료 취급 등 산업적 위험이 모두 사라지는 것은 아닙니다.

2024년 말 기준으로 핵융합 전력을 상업적으로 공급하는 발전소는 없었습니다. 안정적인 반응, 열 회수, 연료 주기와 경제성을 함께 입증하는 일이 과제로 남아 있었습니다.

Commonwealth Fusion Systems(CFS)는 2024년 12월 발표에서 2030년대 초 상업 발전을 목표로 제시하고 버지니아에 첫 ARC 발전소를 추진하겠다고 밝혔습니다.

CFS 반응기 프로젝트

CFS가 2024년에 발표한 ARC의 목표 전기출력은 약 400MW로, 회사는 약 15만 가구에 공급할 수 있는 규모라고 설명했습니다. 이는 계획된 설비 출력이며 이미 달성한 발전 실적이 아닙니다.

국제 실험로 ITER도 별도의 개발 일정에 따라 추진되고 있었습니다. 2024년 수정 일정에서 2039년은 중수소-삼중수소 운전 단계의 목표 시점으로 제시됐으며, 상업 발전소 완공 시점을 뜻하지 않습니다.

CFS는 Dominion Energy Virginia (D )소유 부지를 임차해 ARC를 건설하고 2030년대 초 전력망 공급을 시작하는 방안을 발표했습니다. 목표 일정은 기술 검증과 인허가 등에 따라 달라질 수 있습니다.

“신뢰할 수 있는 무탄소 전력에 대한 고객의 수요가 늘고 있는 만큼 다양한 발전 선택지를 검토하는 것이 도움이 됩니다. 이런 취지에서 CFS의 노력을 지원하게 되어 기쁩니다.” — 에드워드 베인, 당시 Dominion Energy Virginia 사장

Commonwealth Fusion Systems

CFS 기술

CFS는 2018년 MIT에서 분사한 회사로, 2024년까지 20억 달러 이상을 조달했다고 밝혔습니다. 투자자에는 이탈리아 에너지 기업 Eni 등이 포함됐습니다. CFS는 도넛 모양의 토러스 안에 플라즈마를 자기장으로 가두는 토카막 방식을 개발합니다.

출처: DOE

핵융합 설계에 대해서는 “핵융합: 차세대 청정에너지의 가능성”을, 초전도 기술에 대해서는 “새로운 기술 발전을 이끄는 초전도 연구”를 참고할 수 있습니다.
CFS는 MIT와 함께 개발한 고온 초전도 자석으로 강한 자기장을 만들어 플라즈마를 가두려 합니다. 고온 초전도라는 명칭이 상온 운전을 뜻하지는 않으며, 자석 성능만으로 안정적인 발전이 입증되는 것도 아닙니다.

ARC 설계에서는 액체 블랭킷이 핵융합 에너지를 열로 회수하고, 리튬과 중성자의 반응을 통해 삼중수소를 증식하도록 계획합니다. 중수소는 물에서 얻을 수 있지만 필요한 삼중수소를 지속적으로 확보하는 능력은 별도로 검증해야 합니다.

2021년에는 20테슬라 규모의 고온 초전도 시험 자석을 시연했습니다. 이는 핵융합용 대형 고온 초전도 자석의 중요한 성과였지만 모든 기존 자석보다 성능이 100~1,000배 높다는 뜻은 아닙니다.

회사는 별도로 중앙 솔레노이드의 동작을 검증하는 중앙 솔레노이드 모델 코일(CSMC)도 개발했습니다. 2024년에는 이 자석에 전력을 공급하는 고전류 밀도·고온 초전도 케이블 기술도 소개했습니다.

핵융합은 연료 질량당 많은 에너지를 낼 수 있습니다. 다만 적은 연료량이 곧 연료 주기나 공급망 문제가 없다는 뜻은 아닙니다.

CFS는 ARC의 장기간 연료 수요를 비교적 적은 물량으로 충당할 수 있다고 설명했습니다. 이는 회사의 설계상 전망이며 삼중수소 증식, 회수와 실제 운영 성능에 관한 검증이 필요합니다.

예정된 차세대 반응기 시리즈

SPARC는 플라즈마에 가한 가열 에너지보다 많은 핵융합 에너지를 내는 토카막 실증을 목표로 합니다. 이 플라즈마 에너지 이득은 발전소 전체가 소비하는 전력보다 많은 전기를 생산한다는 뜻과 다릅니다.

2024년 말 기준으로 SPARC는 매사추세츠의 CFS 사업장에서 건설 중이었으며, 아직 첫 플라즈마를 발생시키지 않은 단계였습니다.

출처: CFS

SPARC의 실증 결과를 바탕으로 추진할 다음 단계가 버지니아의 ARC 상업 발전 계획입니다.

출처: CFS

SPARC가 핵심 물리와 기술을 시험한다면 ARC는 발전소 통합과 경제성을 검증해야 합니다. 소형화를 지향하지만 실제 부지에는 원자로뿐 아니라 열 변환, 연료 관리와 지원 설비도 필요합니다.

출처: CFS

투자와 연구 협력

CFS는 Dominion 및 Eni와 협력했고, 2022년에는 영국 원자력청과 5년 협력 협정을 맺었습니다. 연구 협력이나 투자가 상업적 성공을 보장하지는 않습니다.

CFS의 연구는 미국 에너지부 산하의 두 프로그램인 에너지 고등연구계획국(ARPA–E)과 핵융합 에너지 과학(FES)의 지원금으로 수행되었습니다.

MIT 연구진도 CFS와 긴밀하게 협력했습니다.

“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.”

테드 골피노풀로스, MIT 핵융합 연구 책임연구원 중 한 명.

CFS 평가

강한 고온 초전도 자석은 소형 토카막 개발에 중요한 성과입니다. 그러나 자기 구속 외에도 플라즈마 안정성, 재료 내구성, 연료와 열 회수 등 여러 과제가 남아 있습니다.

이 자석 기술은 핵융합 외 분야에서도 활용 가능성을 검토할 수 있지만, 각 용도에 맞는 성능과 비용 평가가 필요합니다.

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

강한 자기장이 실제 운전에서 안정적이고 경제적인 발전으로 이어질지는 플라즈마와 발전소 전체의 실증을 통해 확인해야 합니다.

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.

CFS와 Dominion의 계획은 핵융합에 대한 산업계의 관심을 보여줍니다. 인공지능은 재료 연구나 플라즈마 제어에 도움을 줄 수 있지만, 저렴하고 사실상 무한한 에너지가 10~20년 안에 반드시 실현된다는 결론은 아직 내릴 수 없습니다.

핵융합 기업

2024년 당시 Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion Systems, TAE Technologies, Zap Energy, NEO Fusion 같은 핵융합 전문 개발사들은 비상장 기업으로 소개됐습니다. 이 설명은 당시의 상황이며 현재의 상장 여부와는 구분해야 합니다.

관련 기업 정보는 Dealroom의 핵융합 스타트업 목록에서도 살펴볼 수 있습니다. 목록의 기업 상태는 시간이 지나면서 바뀔 수 있습니다.

상장 기업의 관련 투자 사례로는 방산·항공우주 기업 Lockheed Martin (LMT )의 핵융합 우주 추진 투자도 있습니다. 이는 상업용 핵융합 발전소 운영과는 다른 사업입니다.

비상장 전문 개발사가 많았던 2024년 당시에도 Lockheed Martin처럼 관련 연구나 투자를 진행한 상장 기업은 있었습니다.

Lockheed Martin은 2010년대에 소형 핵융합 연구를 공개했습니다. 이후 보도에서는 해당 연구 프로그램이 2021년 중단됐다고 전했지만, 공개 자료만으로 구체적인 기술적 중단 원인을 단정할 수는 없습니다.

회사는 초기 발표 이후 상세한 진척 사항을 제한적으로 공개했습니다. 내부 연구 결과를 추측해 다른 회사의 추진 방식이나 전망에 연결하는 것은 적절하지 않습니다.

2024년 4월에는 Lockheed Martin Ventures가 우주용 핵융합 추진을 개발하는 Helicity Space에 투자했다는 발표가 있었습니다.

Helicity Space는 플라즈마 제트, 자기 재결합과 압축을 이용한 핵융합 추진을 연구합니다. 이를 General Fusion의 발전용 방식과 동일하다고 볼 수 없으며, Lockheed의 내부 연구가 실패한 이유를 입증하는 자료도 아닙니다.

핵융합 추진은 전력망용 발전과 요구 조건이 다르지만, 실제 우주선에 적용하려면 추진 성능, 에너지 공급, 열 관리와 신뢰성을 입증해야 합니다. 투자 발표만으로 제품 상용화가 임박했다고 볼 수는 없습니다.

Lockheed의 주요 사업과 투자 배경은 2024년 11월에 발행된 별도 기업 보고서에서 더 알아볼 수 있습니다.