美 '인공태양' 레이저 핵융합발전...상용화 앞당겨지나

이재은 기자 / 기사승인 : 2021-08-18 17:34:34
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美 로렌스 리버모어 국립연구소 실험결과
생산에너지 1.35MJ...자기점화 '70%' 도달

후추 알갱이만한 핵연료 캡슐에서 차량이 시속 160km로 달릴 때 필요한 만큼의 에너지를 발생시키는 데 성공하면서 '꿈의 에너지'로 불리는 핵융합 발전 상용화가 한층 더 가까워졌다.

17일(현지시간) 미국의 3대 핵무기 연구소 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)는 국립점화시설(NIF)에서 진행한 핵융합실험에서 1.35메가줄(MJ)에 달하는 에너지를 발생시켰다고 밝혔다. 이는 종전에 도달했던 에너지 발생량의 8배에 달하는 수치로, 자기점화 달성률이 70%에 이른 것이다.

핵융합은 두 원자핵이 충돌해 하나의 무거운 원자가 되는 과정이다. 충돌과정에서 엄청난 에너지가 발생한다. 핵융합은 태양이 에너지를 생성하는 방식과 같다. 태양은 고온의 핵융합 반응이 일어나는 거대한 플라즈마 덩어리다. 이를 커다란 중력이 잡아둔 채 끊임없이 엄청난 양의 에너지를 우주로 쏟아낸다. 핵분열과 달리 핵융합으로 얻은 에너지는 폐기물 처리가 곤란하지 않고 원료가 풍부해 자원고갈과 환경파괴 문제를 모두 해결할 수 있어 '꿈의 에너지'로 불린다.

하지만 핵융합은 지구에서 구현하기 힘들 정도로 엄청나게 높은 열과 압력을 필요로 한다. 핵융합이 일어나는 초고온 플라즈마를 특정공간 안에 잡아두어야 하기 때문이다. 이 때문에 핵융합발전은 경제성이 없어 상용화되지 못하고 있다. 태양과 같은 환경을 조성해 핵융합 반응을 유지하려면 투입되는 에너지가 생산되는 에너지보다 더 많은 '배보다 배꼽'인 상황이 되는 까닭이다.

핵융합발전이 경제성을 갖추려면 '자기점화'가 가능해야 한다. 핵융합 연료의 온도가 1억°C에 이르면 외부가열없이 스스로 핵융합 반응을 유지하게 된다. 바로 이 시점부터 생성되는 에너지양이 주입되는 에너지양을 넘어서면서 실제 발전전력으로 상용화할 수 있게 된다.

미국 리버모어 연구소에 있는 NIF는 축구장 3개 크기로, 192개의 레이저 광선을 한곳에 집중시켜 짧고 강력한 전자기 펄스를 발생시킨다. 이때 10억분의 1초만에 1.9MJ 규모의 에너지가 소모된다. 최근까지 NIF가 핵융합발전 시도 끝에 얻어낸 에너지양은 170kJ로 1.9MJ에 한참 미치지 못했다. 그런데 이번 실험결과 주입량의 70%에 달하는 1.35MJ에 도달한 것이다.

LLNL은 지난 수십년동안 핵융합의 자기점화 달성률을 높이기 위한 연구를 거듭해왔다. 연료캡슐의 미세한 요철을 매끄럽게 개선하기도 했고, 에너지 손실량을 줄이기 위해 캡슐의 연료 주입구 크기를 줄이기도 했다. 또 연료가 캡슐 내부에 더 오래 남아있도록 하기 위해 레이저 펄스를 정밀조정하는 개선작업도 진행한 바 있다. 이번 실험결과가 정확히 어떤 부분을 개선한 때문인지는 피어 리뷰(peer review·동료 검토)를 거친 논문을 통해 발표될 예정이다.

LLNL 연구소장 킴 뷰딜은 "이번 연구결과는 '관성봉입 핵융합'(ICF·핵융합 반응을 연료 타깃에 열과 압력을 가함으로 발생시키는 융합에너지 연구의 한 종류) 연구에 있어 역사적인 한걸음을 내딛은 것"이라며 "새로운 연구분야를 열었다"고 자평했다.

반면 LLNL 관성봉입 핵융합 계획의 수석과학자 오마르 허리케인은 "물론 힘겹게 얻어낸 과학적·공학적 성과지만 청정에너지로서 얼마만큼 효율적인지는 미지수"라며 "개인적으로 핵융합에너지는 아직 미래기술이라고 생각하고, 당장의 기후위기를 대처할 수 있을 것으로 기대하기에는 무리가 있다"며 지나친 기대를 경계했다.

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