퓨전 에너지는 기후 위기에서 지구를 구합니다.
기후위기 대책으로 이산화탄소 배출량을 줄여야 한다는 주장이 나오는 가운데 석탄 화력발전에서 차세대 에너지로의 급전이 주목받고 있습니다. 태양과 같은 원리를 가진 핵융합이 왜 원자력만큼 깨끗하고 안전할까요?30년 만에 실현된다고 하는 기술의 진정한 가치를 묻습니다. (Wired Vol.35에서 재발간)
General Fusion(General Fusion)에서 제안하는 충격파 자기화 표적 핵융합(MTA)에는 연료 공급을 위한 플라스마 주사기, 연료 압축을 위한 피스톤, 연료 보유 및 에너지 포획을 위한 액체 금속의 회전 체임버 등 3가지 주요 구성 요소가 있습니다. 플라스마 주사기는 고온 플라스마에서 수소 연료를 형성하고 압축을 위해 준비된 자기장에 수소 연료를 포획합니다. 중요한 것은 플라스마의 열을 견딜 수 있는 액체 담요(융해로 진공 용기 내부의 플라스마를 둘러싸기 위해 설치)와 피스톤에 의해 압축될 수 있는 충분한 시간 동안 지속할 수 있는 안정적 플라스마 생성입니다. 이를 실현하기 위해 General Fusion(일반 퓨전)에서 15개의 서로 다른 플라스마 주입 시스템을 구성하고 테스트합니다. 하루 100발의 플라스마를 내뿜고 있는 것으로 알려졌습니다. 그 결과, 500만。C 이상의 온도와 압축에 필요한 수명을 가지는 플라스마가 생성됩니다. 실험을 통해 얻은 지식은 발전소 전체 주사기를 설계하는 데 사용됩니다.
벨 연구소에서 수년간 근무한 정보 엔지니어 리처드 해빙은 1986년 '연구 태클 방법' 강연에서 혁신적인 연구를 수행하기 위해 세 가지 질문을 던졌습니다.
「당신의 분야에서 가장 중요한 문제는 무엇입니까?」
「무슨 일을 하고 있습니까?」
「왜 안 되겠습니까?」
「에너지 분야에서 가장 도전적인 문제는 누구이며, 누가 그것을 연구하고 있습니까?」
핵융합 발전의 필요성
세계 인구가 증가할 것으로 예상함에 따라 에너지에 대한 수요는 증가하는 반면, 기후 위기에 대처하기 위해서는 CO2 배출에서 재생 에너지와 같은 깨끗하고 안전한 공급원으로의 전환이 필요합니다. 수요 증가와 재생 에너지로의 전환이라는 두 가지 과제를 동시에 해결할 수 있는 잠재력이 있습니다. 핵융합 에너지입니다.
핵융합 반응이 대량의 에너지를 방출할 가능성은 1920년대에 발견되었고 그것을 실현하기 위한 연구는 40년대에 시작되었습니다. 지구상에서 태양을 재현하는 가장 큰 인간 프로젝트는 이제 혁신과 함께 한 단계 더 나아가고 있습니다.
민간 핵융합로 출발은 일본, 유럽연합, 러시아, 미국, 한국, 중국, 인도가 반복적인 지연과 과잉 자금에 시달리고 있는 국제 열융합로인 ITER 옆에 등장하고 있습니다. 핵융합에너지산업그룹인 퓨전산업협회에 21개 출발이 가입했고, 수십억 엔 이상을 받은 출발도 여럿 있습니다.
실리콘 밸리의 Villionelers는 이러한 출발을 지원해 왔습니다. 캐나다 브리티시 컬럼비아에 본사를 둔 제너럴 퓨전 社는 제프 베저스가 이끄는 베조스 익스피리언스社의 자금 지원을 받고 있습니다.
캘리포니아에 본사를 둔 ATE Technologies는 1998년 설립된 이후 고인이 된 마이크로소프트 공동 창업자 Paul Allen을 지원해 왔습니다. 2017년 매사추세츠 공과대학교에서 스펀딩한 공동 웰스 퓨전 시스템즈(FCS)는 빌 게이츠가 이끄는 혁신 에너지 벤처스가 후원하고 있습니다. 기후 위기에 직면한 출발에 구체적으로 투자하는 벤처캐피털입니다.
이 환경 위기는 광범위한 기술을 필요로 합니다. ?지구환경의 급속한 변화로 전 세계적으로 발생하는 '깊은 사회적 도전' 앞에서 인류는 순환경제와 자연복귀라는 강령뿐만 아니라 문명 전체를 크게 도약시킬 심오한(심오한) 기술의 돌파구가 필요합니다. WIRED의 일본판에는 "지구용 깊은 기술"가 있으며, 단순한 프로토타입이 아닌 진정한 솔루션을 찾고 있습니다.
핵융합과 핵분열의 차이
기술적 돌파구를 소개하기 전에, 저는 "핵융합"이 무엇인지 설명하고자 합니다. 핵융합 에너지에 의한 원자력 발전은 핵분열에 의한 원자력 발전과는 매우 다릅니다. 중수소와 삼중수소는 핵융합로 연료로 쓰이고, 삼중수소를 생산하는 리튬과 중수소는 바닷물에서 회수할 수 있기 때문에 사실상 무진장한 에너지의 원천이라고 합니다.
수소의 원자핵이 융합되어 헬륨으로 변환될 때 생성되는 에너지를 1억 。C 이상으로 가열된 고온 플라스마에서 활용함으로써 전력은 발생합니다. 이 "핵융합 연소"에서는 헬륨과 중성자가 생성되며, CO2는 배출되지 않습니다.
그렇다고 방사성 폐기물이 전혀 언급되지 않는다는 뜻은 아닙니다. 중수소와 삼중수소의 핵융합을 통해 생성된 고속 중성자가 보유한 에너지를 활용하며, 이때 고속 중성자가 용광로의 구조와 반응하여 방사성 물질을 생산합니다.
다만 발생하는 저준위 방사성 폐기물이며 관리 시나리오도 신중하게 검토해왔다. 한 논문을 보면 ITER 수준의 원격 장비는 약 5년 냉각이 필요하지만, ITER 수준의 원격 장비는 장비를 재활용하기 전에 약 100년 냉각이 필요한 것으로 추정됩니다.
반면 핵분열에 의한 원자로는 우라늄이나 플루토늄과 같은 핵분열 물질을 연료로 사용하며, 다른 원자들로 나눌 때 생성되는 에너지를 사용합니다. 많은 사람은 아마도 핵분열 후에 방사성 원소가 생성된다는 것을 알고 있을 것이고, 상황에 따라 수십만 년에서 100만 년 동안 그것을 유지하는 것이 필요하다는 것을 알고 있을 것입니다.
핵융합이 에너지원으로서 갖는 매력은 CO2와 같은 대기오염물질을 발생시키지 않고 원칙적으로 안전성이 높고, 무엇보다 연료가 사실상 무진장이라는 점입니다.
이 몽환적인 기술에 의해 에너지를 생성하기 위해서는 혈장 온도, 밀도, 구속 시간(종종 수명이라고 함)의 세 변수(일명 퓨전 삼중 제품이라고 함)의 산물을 증가시키고, 그것에 필요한 에너지를 초과하기에 충분한 에너지를 추출할 필요가 있습니다. 그것을 실현하기 위한 많은 방법이 제안되어 있지만, 아직 증명되지는 않았습니다.
현재까지의 진행상황
현재까지 1950년대 소련에서 개발된 토카막은 핵융합 발전의 주류이다. 세계에서 가장 큰 핵융합로인 ITER은 프랑스 남부에서 건설 중입니다. 일단 완성되면 이론적으로 50메가와트를 소비하여 500메가와트의 에너지를 발생시킬 것입니다. 또한, 일부 민간기업은 ITER 와는 다른 방식으로 토카막 원자로를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.
2009년 설립된 토카막 에너지와 2017년 설립된 FCS가 대표적인 예이다. 토카막 에너지는 구형 토카막(ST)과 고온 초전도체 자석을 갖춘 소형 핵융합로 개발을 목표로 하고 있습니다. 이 회사의 설립자인 Alan Cya와 Michael Griaznevich는 1990년대에 구형 토카막의 개념을 주창했습니다.
도넛 모양의 토카막은 플라스마의 중심부에 있는 코일에 의해 플라스마에 전류를 흐르게 하여 자기장을 생성합니다. 도넛를 구형형에 가깝게 가져와 구속효율을 높일 것으로 알려졌지만 도넛 중심부가 좁아져서 중성자 조사에 필요한 두께를 충분히 가진 차폐재를 설치할 수 없고 핵융합을 위해 필요한 고 자장 유전자가 까다롭습니다. 요금입니다.
하지만 고온 초전도 연구가 발전하면서 새롭고 치밀한 용해로 설계가 가능해졌습니다. 한편, FCS는 MIT의 플라스마 과학 및 퓨전 센터와 협력하여 SPARC 핵융합 장치 건설에 대비하고 있습니다.
FCS는 다년간 MIT에서 연구해 온 알카토르 C-상태라는 소형 고자 기장을 바탕으로 고온 초전도 자석을 이용해 핵융합로를 실증하는 것을 목표로 하고 있습니다.
FCS는 SPARC를 사용하여 2021년까지 빠른 플라스마 및 입력 에너지보다 더 많은 핵융합 출력을 얻을 것이라고 말했습니다. 2025년 이후에 세계 최초의 융복합 발전소인 "ARC"를 건설할 계획이라고 합니다.
밥 무가도 CFS 최고경영자(CEO)가 안녕 투모로우 행사에서 "토카막이 무어의 법칙보다 낫다"고 말한 것처럼 에너지 발전이 기하급수적으로 증가하고 있다는 희망의 하나일 수도 있습니다.
General Fusion의 "MTA" 형식 특징
민간 원자로 스타트업 중에서는 퓨전 장군이 기발한 콘셉트로 주목을 받고 있는데, 타임, BBC 등 주요 매체가 총출동하는 가운데 일본 내에서는 놀랍게도 그 활동이 알려지지 않고 있습니다.
플라스마 물리학자 마이클 러버지에 의해 2002년에 설립된 이 회사는 17년 역사에서 아무런 이익도 거두지 못했지만 1억 원이 넘는 기금을 모았습니다. "CREB Products"라고 불리는 레이저 인쇄 회사에서 일했던 라바르게는 브리티시 컬럼비아 연안의 섬으로 이동하여 약 4년 동안 친구나 친척들로부터 빌린 정부 연구 보조금과 자금을 사용하여 핵융합로의 개념을 증명했습니다. 그 후, 회사의 규모는 점차 증가할 것입니다.
2017년, 약 30년간 에너지 산업에서 경력을 쌓아온 크리스토퍼 몰이가 CEO가 되었다. "2017년은 핵융합에 대한 접근방식의 기초과학적 측면의 성과를 충분히 보여준 시기이다. 저는 그 기술을 실험실에서 꺼내서 발전소의 규모에 따라 성능을 증명할 수 있는 단계로 넘어갔습니다." 라고 Molly가 그 배경에 대해 말합니다.
플라스마 주사기 "PI22"의 끝입니다. 진공 체임버에 장착된 전류 공급 시스템과 균일하게 수소 가스를 주입할 수 있도록 후광처럼 배열된 가스 밸브가 보입니다.
핵융합을 통해 에너지를 생성하기 위해서는 플라스마 연료 온도, 밀도, 구속시간(핵융합 삼중제품)의 산물을 증가시켜 핵융합의 조건을 충족시킬 필요가 있습니다.중수소/삼 리튬 연료 융점에는 1억°C 이상의 온도가 필요하며, 이는 토카막과 같은 모든 시스템에 공통적이기 때문에 제어할 두 변수는 플라스마 밀도와 수명을 갖습니다.
General Fusion은 MTA(Magnified Target Fusion)의 형태를 취합니다. 위의 두 변수와 비교하여 MTA는 토카막(Tokamak)을 중심으로 한 자기장구속 핵융합(MCF)과 레이저 등에 의해 구동되는 관성구속 핵융합(ICF)의 중간에 있습니다.
즉, 실현기술의 난도를 높인다고 여겨지는 장소명, 초고밀도 등은 MTA에서 버림받고, 핵융합 조건은 중간값으로 달성되는 반면, CIF에서는 극히 짧은 초고밀도 플라스마는 비록 구속시간을 연장하여 획득합니다. MFC는 밀도가 낮습니다.
제너럴 퓨전(General Fusion)은 액화 금속 소용돌이의 중심에서 원심력에 의해 구형 용기의 양쪽 극으로 확장되는 캐비티를 형성하는 한편, 압축 공기 피스톤에 의해 액화 금속에서 음향 압력파가 생성되며, 그 중심에는 스피로마틱스가 압축됩니다. 핵융합 조건을 달성하기 위해 충격파가 집중되는 핵의 중심부입니다.
액체 금속은 핵융합로의 진공 용기에 플라스마를 둘러싸기 위해 설치된 담요와 같은 역할을 하며, 토카막 등이 문제의 용해로 물질의 방사선을 피할 수 있습니다. 이것은 공학적인 도전이지 과학적인 도전은 아니라고 몰리는 말합니다.
"토카막 접근법은 단지 융합과학을 발전시키고 있을 뿐 실용적인 식물을 생산하지 않고 있습니다. 제너럴 퓨전(General Fusion)은 실용적인 퓨전 에너지를 만드는 데 과학적인 장벽이 없는 유일한 기술입니다."
혁신은 핵융합로가 아니라 실현의 기술
제너럴 퓨전(General Fusion)에 투자하는 CV 중에는 제프 베저스를 비롯해 클린기술에 투자하는 말레이시아 정부펀드 하자나 나시오날과 지속 가능한 발전기술 캐나다 등이 있습니다.
특히 캐나다 정부는 후한 지원을 하고 있습니다. 2018년에 우리는 USD 4,930만 달러를 모았습니다. "계속해서 세계 핵융합 기업의 선구자가 되기 위해서요. 최첨단 청정에너지 기술로 양질의 일자리를 창출합니다." 라고 Molly는 말합니다.
핵융합 에너지를 실현하기 위해서는 다른 정부와의 긴밀한 협력도 필수적입니다. "청정에너지는 지정학적 논쟁의 중심지이며, 융합에너지의 상용화가 세계적으로 폭넓게 받아들여지는 것이 중요하다."
몰리는 21세기 핵융합 발전이 진전된 이유는 '핵융합 과학의 발전' 때문이 아니라 '실현 기술' 때문이라고 말합니다. 제너럴 퓨전(General Fusion)이 일하는 MTA의 기원은 해군연구소가 1972년에 시작한 연구로 거슬러 올라갑니다. 아이디어를 개발한 비결은 3D 프린팅, 클라우드 컴퓨팅, 기계 러닝, 초고속 디지털 제어 시스템과 같은 "실현 기술"입니다.
예를 들어 핵융합 플라스마의 관리와 최적화는 기계 러닝과 빅데이터에 의해 수행됩니다. GE Addie는 General Electric의 자회사로서 3D 프린터를 이용하여 고급 티타늄 부품으로 작업할 것입니다. 일일 실험에는 핵융합로 프로토타입과 첨단 디지털 시뮬레이션이 포함될 것입니다. 플라스마 시뮬레이션 외에도 음파 및 압축 모형화에 대해 유체역학 시뮬레이션을 수행합니다.
산업용 3D 프린터는 이전에는 불가능했던 복잡한 디자인을 생산하고 퓨전 시스템을 위한 새로운 가능성을 열어줍니다. 3D로 인쇄된 티타늄 성분이 액체 금속 벽을 안정시키고 플라스마를 압축하는 데 도움을 줍니다.
제너럴 퓨전(General Fusion)은 2024년까지 발전소 차원 융복합 기술을 시연할 계획이며, 현재 정부들과 장비 건설 용지를 찾기 위한 협상을 진행 중이며, 앞으로 2년 안에 대규모 실증 공장 설계를 완료할 수 있기를 희망합니다.
그 증거는 핵융합 에너지를 실용적인 방법으로 사용하여 탄소 없는 전기를 생산하는 과정과 핵융합에 대한 경제적 경쟁력과 저비용 접근법입니다. 그리고 상업용 발전소를 설계하고 개발하기 전의 마지막 단계입니다.
ITER은 2025년에 운영을 시작하고 빠른 플라스마를 시작할 계획이지만, General Fusion의 목표는 야심 찬(그리고 낙관적인) 목표입니다. Molly는 주간 프로젝트와 비교했을 때 민간 출발이 "속도, 효율성, 혁신에 관한 모든 것"이라고 덧붙였습니다. 우주 산업을 살펴봐야 합니다. 가장 혁신적인 것은 민간기업 스페이스X죠?
상업용 핵융합로의 미래
하지만 전망은 낙관적일 수 있습니다. 이제 Fusion General이 직면한 과제는 연구소에서 자기화된 대상 융합 기술을 대규모로 통합하기 위한 소규모 데모를 하는 것입니다. 또, 실험용 원자로에서 핵융합이 한때 발생할 수 있다고 해도, 지속적인 운전이 필요한 발전소로의 전환은 기술적으로 큰 난제가 될 것으로 보입니다.
예를 들어, 피스톤에 의한 충격파 또는 핵융합 반응에 대해 액체 금속이 고속으로 회전하는 안정성과 충격파 가열 과정에서 유지될 수 있는 플라스마의 구속시간도 문제로 꼽힙니다.
반면 기후 위기에 대처하기 위해 청정에너지에 대한 기대감은 더욱 높아지고 있습니다. 태양열과 풍력 발전은 날씨와 환경에 영향을 미칩니다. 그것이 몰이가 깨끗한 에너지의 틀 안에서 "공존"이 중요하다고 말하는 이유이다.
"에너지의 미래는 태양광과 풍력 발전이라고 생각합니다. 그리고 수소와 저장 배터리의 에너지 저장과 펌프질 힘 또한 중요할 것입니다. 셋째, 핵융합입니다. 우리는 핵융합에너지가 재생에너지를 대체할 것으로 생각하지 않고, 석탄화력 발전이나 원자력 발전을 대체할 것이라고 생각합니다."
퓨전연구의 세계에서는 늘 이런 농담이 있었습니다. "언제 핵융합로가 실현될까요?"(항상) 30년 뒤" 몰리세게 그런 농담을 건네면 자신 있게 말한다.
"지금으로부터 30년 후가 아닙니다. 스페이스X와 같은 민간 기업이 국가를 대표해 우주 산업에서 주도권을 잡았듯이, 스페이스X Mo mention for Fusion도 퓨전 분야에서 일어나고 있습니다. 많은 기업이 이 분야에서 일하고 있는데 세계 최초의 상업용 핵융합로를 실현할 가능성이 매우 높다고 생각합니다."