한 번도 실현된 적 없는 '꿈의 에너지'…소형화로 도전 
중국, 영국 등 앞서 나가…韓, 올해부터 '한국형 혁신 핵융합로' 개념 설계 돌입 
2040년대 본격 민간 자본 투입 예상

'한국형 핵융합 연구로' 케이스타(KSTAR) 주장치 모습 /사진=한국핵융합에너지연구원

우리나라도 올해부터 '소형 핵융합로' 개발에 본격 돌입한다. 2030년대 후반까지 공공 주도로 2040년대부터 민간 참여를 통해 전력 생산 가능성을 실증한다는 계획이다.

1일 '민관협력 핵융합에너지 실현 가속화 전략 포럼'이 대전 유성구 한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합)에서 열린 가운데 최원호 KAIST 원자력 및 양자공학과 교수는 "소형 핵융합로 없이는 핵융합에너지를 실현할 수 없다"며 "'한국형 혁신 핵융합로' 개발은 전 세계적 에너지 패권 경쟁에 대응하기 위한 필수 전략"이라고 강조했다.

'인공태양'으로 불리는 핵융합은 1억℃(도)가 넘는 태양의 플라스마를 모사해 전기를 생산하는 에너지 기술이다. 발전 시 이산화탄소 등 유해 물질이 발생하지 않아 청정에너지로도 꼽힌다. AI(인공지능) 데이터센터 등 막대한 전력이 필요한 시설이 폭발적으로 늘어날 것으로 예측되면서, 안정적으로 전력 수요를 충당하기 위해 전 세계적으로 핵융합 발전 연구가 이어지고 있다. 그러나 아직까지 핵융합 발전을 구현한 사례는 전무하다. 우리나라를 포함해 전 세계 6개국이 프랑스 남부에 건설 중인 ITER(국제핵융합실험로·이터)가 '대표 격'이지만, 완공 시점이 이미 여러 차례 미뤄졌다.

그러나 최 교수는 "지난 6~7년간 핵융합 연구에 민간 자본이 유입되며 개발이 가속화됐는데, 특히 2020년 이후 소형 핵융합로를 내세운 스타트업이 크게 늘었다"고 했다. 2024년 기준 핵융합 분야 기업은 전세계 50여개에 달한다. 이와 함께 핵융합 스타트업에 대한 관심도 크게 늘어 2024년까지 누적 투자액이 71억 달러(약 10조 5000억원)에 달했다.

소형 핵융합로는 기존 대형 핵융합로에 비해 크기와 용량을 크게 줄인 핵융합로다. 민간이 핵융합로 개발에 뛰어드는 데 가장 큰 장애물로 꼽히는 건설 비용, 건설 기간, 부품 엔지니어링 제작에서의 위험성을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.

나라별로 보면 핵융합 선진국인 미국, 영국 등은 소형 핵융합 장치 건설에 돌입했다. 중국은 2027년까지 핵융합 기술 검증을 위한 소형 핵융합 실험장치(NEST)를 건설할 예정이다. 영국 역시 2040년까지 전력 생산 실증을 목표로 소형 핵융합 장치(STEP) 건설 사업에 착수했다.

최원호 KAIST 원자력 및 양자공학과 교수가 1일 대전 유성구 핵융합연 본원에서 열린 정책포럼에서 '한국형 혁신 핵융합로'에 대해 설명하고 있다. /사진=박건희 기자

우리나라 핵융합계도 올해부터 이같은 흐름에 뛰어든다. 지난달 소형 핵융합로 건설을 목표로 핵융합연 등 핵융합 분야 전문가 10명으로 구성된 '혁신형 핵융합로 최상위 요건 위원회'가 출범했다. 한국형 핵융합로 'KSTAR(케이스타)' 개발 및 ITER 개발 경험을 살려 한국형 소형 핵융합로의 개념설계에 올해부터 돌입한다.

이른바 '한국형 혁신 핵융합로(CPD)'는 기존 대형 핵융합로인 'K-DEMO(케이데모)'의 2분의 1 크기(주 반경 4m)인 토카막(tokamak) 노형으로 개발할 계획이다. 토카막은 고온고압의 플라스마를 가둬 열에너지를 유지하는 도넛 모양의 장치다. 우리나라는 케이스타 개발을 통해 세계적 수준의 토카막 제작 기술을 보유하고 있다. 소형 핵융합로의 열출력은 대형 핵융합로의 3분의 1 수준인 300메가와트(MW)가 될 전망이다.

한국형 혁신 핵융합로는 올해부터 2단계로 나눠 개발할 예정이다. 윤시우 핵융합연 부원장은 "2030년대 후반까지는 '공공주도 1단계'로서 핵융합 점화와 1시간 연속 운전을 달성하겠다"고 했다. 핵융합 점화는 핵융합 반응을 위해 투입한 에너지의 양보다 더 많은 에너지를 얻는 것으로, 연구 성공의 핵심 이정표다. 윤 부원장은 "점화 조건에서 100초를 연속 운전하는 데 성공하면 난제를 해결했다고 보고, 1시간 수준 운전까지 달성할 계획"이라고 밝혔다. 더불어 핵융합 연료인 삼중수소 생산 및 추출 실증부터 열출력 발생 실증까지 공공주도로 이끈다는 계획이다.

2040년대 전반에 들어서면 '민간 주도 2단계'가 시작된다. 이 단계에 들어서면 민간 기업의 주도로 연료 자체 생산 기술과 100MW급 전력 생산 기술까지 실증할 수 있을 것으로 예상한다. 이후엔 토카막용 혁신 소재 개발, 삼중수소 생산·저장·회수 등 신규 산업 분야까지 창출할 수 있을 것으로 예상한다.

이 자리에 참석한 이창윤 과기정통부 제1차관은 "기술 확보만으로는 핵융합 에너지 가속화에 충분하지 않다"며 "공공부문이 법적인 틀을 만들고 초기 투자를 통해 마중물을 제공하면, 민간 자본이 투입돼야 한다"고 강조했다. 이 차관은 "핵융합에너지 시장은 우리가 생각하는 것보다 빠르게 돌아가고 있다"며 "(기업 등이) 더 담대하게 나설 필요가 있다"고 했다.

대전=박건희 기자 wissen@mt.co.kr

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