핵융합 벤처들이 뜬다? (네이처 기사 번역)

각종 미디어 2014.09.17 14:18

아래는 미국의 과학저널 네이처(Nature)에 실린 기사를 번역한 것입니다.

저는 비전문가이므로 오역과 지나친 의역이 있을 수 있습니다. 

원문은 http://www.nature.com/news/plasma-physics-the-fusion-upstarts-1.15592 에서 볼 수 있습니다.


The Fusion Upstarts (핵융합의 신흥세력들)

큰 꿈을 가진 새로운 핵융합 기술들이 벤처캐피털의 지원으로 불붙기 시작하다

By M. Mitchell Waldrop

NATURE 511 398p, 2014.7.24.

 캘리포니아 어바인 바로 동쪽에 있는 Santa Ana 산 아래의 교외 상업지구를 구불구불 헤쳐 가면 세상에서 제일 비밀스러운 핵융합 회사중 하나인 Tri Alpha Energy 본사가 있다.

크지만 아무런 표시도 없는 이 건물에 들어가기 위해 방문자는 기밀 유출 방지 서약서를 써야 한다. Tri Alpha는 기업 정보들을 철저하게 숨긴다. 심지어 웹사이트도 없다. 하지만 흘러나온 정보들을 종합해 보면 여기가 현재 미국에서 가장 큰 핵융합실험이 진행되고 있는 곳 중의 하나라는 사실이 명백하다. 뿐만 아니라 그들은 가장 색다른 방식을 사용하고 있다. Tri Alpha는 지난 40년동안 핵융합 에너지 연구를 지배해 온 도넛형의 토카막(Tokamak)’ 원자로를 이용하는 대신 선형(linear) 원자로를 실험하고 있다. Tri Alpha는 이 원자로가 훨씬 작고, 간편하며 싸다고 주장한다. 또한 토카막 쪽에서는 30년에서 50년이 걸릴 것이라고 하는 상용 핵융합 에너지 생산이 십수년 내에 가능할 것이라고 주장한다.

현재 세계적으로 선두에 있는 핵융합 프로젝트인 거대 토카막 ITER (International Thermalnuclear Experimental Reactor, 국제 열핵융합 실험로, 이터)가 비용초과와 일정지연으로 어려움을 겪고 있는 상황임을 생각할 때 이런 이야기는 매우 흥미롭게 들린다. 프랑스 Cadarache에 지어지고 있는 이 시설은 플라즈마 연료의 지속적인 연소를 통해 과잉 에너지를 생산할 수 있는 최초의 핵융합 원자로가 될 것이라는 기대를 받고 있다. 하지만 처음 예상한 것보다 약 10배나 많은 500억 달러가 투입되고, 당초 일정보다 11년이나 늦어진 2027년까지도 첫 번 째 연료실험을 하지 못할 것으로 예상되고 있다.

미국 핵융합 에너지 예산의 대부분을 ITER가 차지하고 있기 때문에 핵융합 에너지에 대한 다른 접근들은 정부의 지원을 거의 받지 못하고 있다. 그러나 토카막 기술에 대한 기다림에 슬슬 지쳐가면서 Tri Alpha팀 외에도 미국과 캐나다의 많은 물리학자들은 다른 방안들을 찾아 나서고 있다.  지난 15년 동안, 핵융합로 설계 방식의 새로운 대안을 찾기 위해 최소한 여섯 개의 회사가 설립됐다. 몇몇 기업들은 상당한 투자를 끌어냈음은 물론 가시적인 성과도 거둔 것으로 알려졌다. Tri Alpha만 해도 Microsoft의 공동설립자 Paul Allen과 러시아 정부의 벤처캐피털 Rusnano같은 곳을 통해서 15천만 달러를 투자받았다.

하지만 이러한 성공은 이들의 대담한 공약에 대해 엄밀하게 검증하려는 분위기도 함께 높이고 있다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 핵물리학자 Jeffrey FreidbergTri Alpha원자로의 크기를 키우기 시작하면서 극복해야 할 매우 어려운 문제를 안고 있다고 말한다. 예를 들어 그들이 사용하고자 하는 새로운 연료를 연소시키는 데 필요한 십억 켈빈의 온도를 그들이 획득할 수 있다는 것을 증명해야 한다. 또한 그 에너지를 전기로 바꿀 수 있는 방법을 실제로 보여줄 수 있어야 한다. Fusion Power Associates를 이끌고 있는 Stephen Dean은 다른 기업들에게도 이와 비슷한 의문들이 제기될 수 있다면서 솔직히 이런 기술들이 빠른 시일 내에 실증될 수 있는 단계에 있다고 생각하지 않는다고 말한다.

새로운 방식의 핵융합 기업들이 그들의 모멘텀을 지속적으로 유지할 수 있을까? 창업자들의 낙관주의는 정당화될 수 있을까? 아니며 이전의 수많은 핵융합 도전자들처럼 흐지부지되고 말 것인가?

 

태양을 따르라

원론적으로 말하자면 핵융합로를 만드는 것은 태양을 모방하는 것이다. 수소 또는 다른 가벼운 원소들의 적절한 동위 원소들에 열을 가해 원자핵에서 전자를 제거하고 이온화된 플라즈마를 만든 다음 이 플라즈마를 압축하면 원자핵이 융합하여 질량의 일부가 에너지로 변환된다. 하지만 실제로 별을 모방하는 데에는 끔찍한 기술적 문제들이 있다. 예를 들어 자기장에 갇혀있는 뜨거운 플라즈마는 성난 뱀이 탈출하려는 것처럼 몸을 비틀고 뒤집는 경향이 있다.

핵융합 연구자들은 오랫동안 이런 야수 같은 플라즈마를 담는 최선의 방법으로 토카막을 선호해 왔다. 1950년대에 소련 물리학자들에 의해 개발돼 10년뒤 서방으로 전해진 토카막 원자로는 이전의 어떤 기계들보다 뛰어난 플라즈마 밀도와 온도, 밀폐 시간을 이뤄냈다. 또한 물리학자들에 의해 설계가 개선되면서 고에너지 플라즈마를 제어하는 방법도 향상됐다.

그러나 많은 물리학자들은 처음부터 토카막이 상업적인 전력 생산이 가능할 정도로 규모를 키울 수 있을지에 대해 의문을 갖고 있었다. 우선 엄청나게 복잡하다. 플라즈마를 가둬둘 수 있는 자기장을 형성하기 위해서는 도넛 모양의 밀폐 장치를 전자기 코일들로 둘둘 감아야 한다. 또한 플라즈마에 강한 전류를 전달하기 위해 또다른 코일들이 도넛 구멍 사이로 지나가도록 만든다. (원문 기사의 그림 참조)

연료도 문제다. 수소의 동위 원소인 중수소(deuterium, D)와 삼중수소(tritium, T)의 혼합물인 D-T는 전력 원자로에 쓸 수 있는 유일한 연료로 널리 받아들여지고 있는데 그것은 다른 어떤 조합보다 낮은 온도( 1억 캘빈)에서 점화되며 훨씬 많은 에너지를 방출하기 때문이다. 하지만 그 에너지의 80%는 빠른 중성자 형태에서의 반응으로 인해 발생하며 이는 원자로의 벽을 손상시켜 높은 방사성을 남길 수 있다. 또한 전기를 생산하기 위해서는 중성자의 에너지를 전통적인 증기 터빈의 물을 데우는데 사용해야 하는데 효율이 30~40%에 불과하다.

고비용, 복잡성, 느린 진도의 문제는 토카막의 자기밀폐 방식에 대한 가장 유력한 대안인 관성밀폐 핵융합 방식에서도 마찬가지로 나타난다. 이 방식은 얼린 연료 알갱이들을 고출력의 레이저 빔으로 파괴하는 방식인데 이 또한 정부의 지원을 많이 받았다. 하지만 수십년의 노력에도 불구하고 California Livermore에 있는 Lawrence Livermore National LaboratoryNational Ignition Facility같은 관성밀폐 주도자들도 그들의 공약을 지키기 위해 힘겹게 싸우는 중이다.

 

근본에서 출발하다

이러한 문제들은 스텔러레이터(stellarator: 토카막의 일정 부분을 단순화한 도넛형 기기. 하지만 더 복잡한 자석을 필요로 함)에 대한 관심을 촉발시켰다. 대부분의 주류 플라즈마 물리학자들은 현실적인 공학적 이슈들은 일단 선결과제에서 제외했다. 플라즈마 물리학이 발전함에 따라 해결책도 자연스레 나타날 것이라고 생각했기 때문이다. 핵융합 신흥세력들은 이에 대해 보다 근본적인 해결책이 필요하다고 주장하는 소수파들 중 하나다. 그들은 전력회사들이 실제로 구매할 만한, 저렴하고 간단한 원자로를 설계해서 공학적인 문제들을 먼저 정확하게 정립한 뒤에 플라즈마 문제를 다루려고 한다.

캘리포니아 대학(University of California, Irvine)의 물리학자이며 1998 72세의 나이에 Tri Alpha공동 설립자로 나선 Norman Rostoker도 그런 사람들 중 하나다. 그와 동료들은 D-T 연료를 쓰지 말고 양자와 boron(붕소)-11을 융합시키자고 제안했다. Boron-11은 자연상태 붕소의 80%를 차지하는 안정된 동위원소다. 이 연료(p-11B)를 점화시키려면 약10억 켈빈 정도의 온도가 필요하다. 이는 태양의 중심부보다 거의 100배나 뜨거운 온도다. 게다가 융합으로 인해 발생하는 에너지는 D-T 연료를 썼을 때의 절반에 불과하다. 하지만 중성자로 인해 생기는 문제들로부터는 자유로울 것이다. 이들이 제안하는 융합방식은 알파 입자라고 알려진 단 세 개의 에너지 넘치는 헬륨 원자핵만을 발생시킨다. 이 입자들은 대전(帶電)돼 있어서 자기장에 의해 역가속장치(inverse cyclotron)로 전달되는데 여기서 약 90%의 효율로 알파 입자의 에너지를 일반적인 전류로 변환할 수 있다.

토카막 안에서 10억 켈빈의 p-11B 플라즈마를 태운다는 것은 생각할 수도 없는 일이었다. 무엇보다 그것을 붙들어두기 위해서는 도저히 실현하기 어려울 정도로 큰 자기장이 필요하기 때문이다. 그래서 Rostoker와 동료들은 두 대의 대포가 포신을 서로 맞대고 있는 것처럼 보이는 선형 원자로를 고안했다.(원문 그림 참조) 각 대포는 plasmoid(플라즈마 덩어리)라 불리는 매우 안정된 플라즈마 고리를 발사하는데 이 때 플라즈마 내의 이온 흐름이 자기장을 발생시키고 그 자기장이 다시 플라즈마를 붙들어두게 되는 것이다. Seattle에 위치한 University of Washington 의 플라즈마 물리학자 Alan Hoffman이것은 생각할 수 있는 가장 이상적인 설정이라고 말한다.

원자로를 가동하기 위해 각 대포는 포신이 맞닿아 있는 중앙밀폐공간으로 plasmoid를 쏜다. 거기서 두 plasmoid는 서로 합쳐져서 더 크고 자유롭게 유동하는 plasmoid가 되며 추가연료가 계속 공급되는 동안 지속된다. 그 반응으로부터 발생하는 알파 입자들은 또다른 자기장에 의해 대포로 다시 돌아가 에너지 변환장치로 들어간다.

Rostoker의 팀이 이런 구상을 발표한 1997년까지는 미국 에너지부가 이런 장치 개발에 투자하지 않을 것이라는 게 명확했다. 토카막에 집중하는게 더 안전한 도박으로 보였기 때문이다. University of Washington의 플라즈마 물리학자 John Slough큰 실험들은 수십년 동안 지원을 받았기 때문에 그들의 목표에 도달하지 못할 가능성은 적다. 하지만 이런 대안 기술들에 대해 지원하기 시작한다면 모든 불확실성이 다시 돌아오게 된다.”고 말한다.

그래서 Rostoker팀은 미국의 활발한 벤처 투자와 하이테크 스타트업 문화를 활용하기로 했다. 그들은 p-11B 에서 발생하는 세 개의 알파 입자를 뜻하는 Tri Alpha를 설립하고 100명 이상의 직원을 채용하기에 충분할 만큼 지속적인 투자를 받았다.

DeanTri Alpha가 기밀유출에 민감한 것은 스타트업 마인드 때문일 것이라고 추측한다. “그건 다른 사람들이 보기 전에 아이디어를 개발하라라는, 벤처 캐피털의 투자를 받은 기업이 되기 위한 일종의 신비주의일 겁니다”. 하지만 지난 약 5년동안 Tri Alpha는 직원들이 외부 컨퍼런스에서 그들의 성과를 공개적으로 발표하는 것을 허락해 왔다. Tri Alpha는 현재 테스트중인 C-2라고 불리는 10미터 길이의 장치에서 plasmoid가 서로 부딪혀 예상한 대로 합쳐지는 것과, 연료 빔이 분사되는 한 그 불덩어리가 1천분의4(4ms)까지 유지될 수 있다는 것을 보여 주었다. 이는 플라즈마 표준에 비춰볼 때 상당히 긴 시간이다. 지난해 텍사스의 Fort Worth에서 열린 플라즈마 컨퍼런스에서 Tri AlphaHouyang Guo연구원은 연소지속시간이 1천분의5초까지 늘어났다고 발표했다. 현재 이 회사는 더 큰 장치를 만들기 위한 자금을 찾고 있다.

투자자인 Allen(MS공동창업자)을 위해 이 작업들을 검증한 바 있는 Hoffman과학 프로그램으로서는 지금까지 매우 성공적이라고 말했다. “그러나 p-11B가 아니다.” 그에 따르면 지금까지 Tri AlphaC-2의 연료로 중수소만을 사용했다. 그들이 원하는 궁극적인 연료를 태우기 위해 필요한 고도의 플라즈마 상태에 도달하기 위해서는 아직도 먼 길이 남아 있다.

뿐만 아니라 Tri Alpha는 알파 입자들을 전기로 바로 변환하는 것도 아직 시연하지 못했다. 前에너지부 융합 에너지 자문위원회 의장이며 MIT 물리학자인 Martin Greenwald실전에서 실제로 작동할 것으로 보이는 그 어떤 것도 보지 못했다고 말했다. 실제로 Tri Alpha는 그들의 1세대 전력 원자로에는 전통적인 증기 터빈 시스템을 사용할 계획이다.

다른 핵융합 기업들도 비슷한 문제들을 해결해야 한다. 하지만 그렇다고 해서 그들은 멈추지 않는다. SloughWashington Redmond에 있는 Helion Energy의 최고 과학 책임자(CSO)이다. 이 회사는 대형 트럭에 싣고 다닐 수 있을 정도로 작은 선형 충돌빔 원자로를 개발하고 있다. Helion 원자로는 양쪽에서 가운데 공간으로 plasmoid를 지속적으로 발사한다. 그 곳에서 연료(plasmoid)는 자기장에 의해 부서지며 핵융합이 일어난다. 융합된 물질은 1초 내에 다음 쌍의 plasmoid들이 돌진하면 배출된다. 회사의 CEODavid Kirtley우리는 이것을 주로 디젤 엔진에 비유합니다라고 말했다. “연료를 분사하고 피스톤으로 압축합니다. 스파크 없이도 연료가 점화할 때까지 압축하면 그것이 폭발하고 그 폭발에 의해 피스톤은 다시 밀려나죠”.

Helion은 이 개념을 3분마다 plasmoid를 발사하는 D-D 원자로에서 시연했다. 이 회사는 현재 15백만달러 규모의 개인투자자를 모으고 있다. 그 돈으로 향후 5년 내에 D-T 연료를 사용하는 최대 크기의 장치를 개발할 계획이다. 그렇게 되면 가동하기에 충분한 에너지를 생산할 수 있어서 채산성을 맞출 수 있게 될 것이다. Helion은 그들이 결국에는 중수소와 헬륨-3의 융합(중성자 부산물 없이 알파입자와 양자만을 생산할 수 있는 또다른 조합)에 필요한 높은 온도의 원자로를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

Kirtley는 돈에 대해서는 낙관적이다. "싸고 안전하며 깨끗한 전력을 필요로 하는 거대한 시장이 있다. 우리는 대체 발전에 투자하고자 하는 개인 투자자 커뮤니티의 커다란 움직임을 보고 있다." 만약 투자가 순조롭게 이뤄진다면 "6년 내에 우리가 만든 파일럿 발전소를 가동할 계획이다."

 

혼돈 속에서

다른 대안들은 여전히 D-T 연료를 사용하면서도 밀폐방식을 다르게 하는 것들이다. 캐나다의 Burnaby에 있는 General Fusion의 연구원들은 액체 상태로 회전하는 납의 소용돌이 속으로 D-T plasmoid를 분사시켜 수많은 피스톤으로 압력을 가해 안쪽으로 으스러뜨리는 방식의 원자로를 설계했다. 이 압축이 백만분의 몇 초 안에 일어난다면 플라즈마는 안으로 폭발하여 융합 상태가 될 것이다. 2002년에 General Fusion을 설립한 Michel Laberge는 이 설계의 장점 중 하나는 액체 상태의 납은 중성자에 의해 폭발해도 분해되지 않는 것이라고 말한다.

General Fusion은 이 아이디어를 소규모의 피스톤 장치를 통해 시연하고 캐나다 정부와 벤처 캐피털리스트들로부터 5천만달러를 투자받았다. Laberge 25백만 달러 정도를 더 구한다면 아마도 2년 안에 핵융합에 필요한 수준으로 플라즈마를 압축할 수 있는 대형 내파 시스템을 만들 수 있을 것이라고 말한다.

이러한 낙관적 생각들과는 달리 Dean은 대안적인 핵융합 기업들이 상용 발전소를 지을 수 있기까지는 최소한 10, 아마도 훨씬 더 오랜 시간이 지나야 할 것이라고 생각한다. 새로운 기술이지만 실제로 증명해 보여야 하는 기술들이 너무 많다는 것이다. "이들은 훌륭한 동기를 갖고 있으며 당연히 지원을 받아야 한다. 하지만 나는 아직 이들이 돌파구를 찾지 못했다고 생각한다”.

가까운 장래에 얼마나 미국 에너지부로부터의 지원이 이루어질지는 불분명하다. 에너지부의 융합 에너지 프로그램은 대체 원자로에 대해 연구하는 몇몇 소규모의 학술연구에 지원한 것처럼 Helion사에도 쥐꼬리만큼의 현금을 지원했다. 장기투자기관인 미 국방부 고등연구 계획국(ARPA: Advanced Research Projects Agency)-Energy는 몇몇 대안 개념들에 대해 관심을 표했으며 지난 해에는 이에 관한 워크샵도 개최했다. 융합 에너지 자문위원회는 내년 초부터 시작하는 10개년 연구계획을 준비하고 있다. 이런 움직임들은 핵융합 신흥세력들이 더 많은 지원을 받을 수 있게끔 해줄 것이다. 하지만 자금은 빠듯하고 ITER는 앞으로도 계속 돈 먹는 괴물로 남아 있을 것이다.

현재로서는 개인투자자 영역에서 큰 돈이 나와야 할 것 같다. 그리고 많은 기술적인 장애물들이 있음에도 불구하고 투자자들은 기꺼이 기회를 잡으려 하는 것처럼 보인다.

"사람들이 '어이, 아마도 이걸 해내는 다른 방법들이 있는 것 같아!'. ‘몇 백만 달러는 투자할 가치가 있을 지도 몰라.’라고 생각하기 시작했어요” Slough의 말이다. ()

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