핵융합에너지의 미래는 무엇인가?

May 30, 2023

핵융합은 기후 변화를 해결하기 위해 제때에 도착하지 못하지만 미래의 에너지 수요에 필수적일 수 있습니다.

지난 12월 핵융합을 연구하는 물리학자들은 돌파구를 찾았습니다. 캘리포니아에 있는 국립 점화 시설(NIF) 팀은 제어된 핵융합 반응을 유발하는 데 사용된 것보다 더 많은 에너지를 추출했다고 발표했습니다. 이는 세계 최초이자 물리학에 있어서 중요한 진전이었지만, 핵융합을 에너지원으로 실질적으로 활용하는 것과는 거리가 멀었습니다. 세간의 이목을 끄는 이 발표는 핵융합 연구에 대해 익숙한 패턴의 반응을 불러일으켰습니다. 즉, 기술 부흥자들의 환호와 과학자들이 핵융합이 단지 20년(또는 30년 또는 50년, 선택하십시오)이라고 계속해서 약속한다고 불평하는 회의론자들의 일축입니다.

이러한 열렬한 반응은 융합에 대한 높은 이해관계를 반영합니다. 세계는 화석 연료 연소로 인한 기후 위기를 완화할 수 있는 풍부한 청정 에너지원에 대한 절실함이 점점 더 커지고 있습니다. 가벼운 원자핵의 병합인 핵융합은 방사성 원소의 매우 무거운 핵을 분할하는 오늘날의 핵분열 원자로와 관련된 위험한 방사성 폐기물을 생성하지 않고도 탄소 배출이 거의 0에 가까운 에너지를 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 물리학자들은 1950년대부터 핵융합 에너지를 연구해 왔지만 이를 실용적인 에너지원으로 바꾸는 것은 여전히 ​​어려운 일이었습니다. 에너지에 굶주린 지구를 위한 중요한 전력원이 될 수 있을까요? 그렇다면 제 시간에 도착하여 지구가 붕괴되는 것을 막을 수 있을까요?

후자의 질문은 이 분야에서 명확한 답이 있는 몇 안 되는 질문 중 하나입니다. 대부분의 전문가들은 2050년경 이전에는 핵융합으로 대규모 에너지를 생성할 수 없을 것이라는 점에 동의합니다(주의를 기울이면 10년이 더 걸릴 수 있습니다). 금세기의 지구 온도 상승이 그 이전에 탄소 배출에 대해 우리가 무엇을 했는지 또는 하지 않았는지에 따라 크게 결정될 수 있다는 점을 고려하면 핵융합은 구원자가 될 수 없습니다. (천문대 칼럼니스트 나오미 오레스케스(Naomi Oreskes)도 여기서 이 점을 지적합니다.) 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 프로그램 리더인 오마르 허리케인(Omar Hurricane)은 "미래 에너지원으로서 10년 전보다 핵융합이 훨씬 더 그럴듯해 보인다고 생각합니다"라고 말합니다. NIF가 보관되어 있습니다. "그러나 향후 10~20년 안에는 실행 가능하지 않을 것이므로 다른 솔루션이 필요합니다."

따라서 21세기 중반까지의 탈탄소화는 다른 기술, 즉 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지에 의존하게 될 것입니다. 핵분열; 그리고 아마도 탄소 포집 기술도 있을 것입니다. 하지만 더 멀리 내다보면, 더 많은 개발도상국이 서구 규모의 에너지 예산을 요구하기 시작할 25세기 후반에는 핵융합이 에너지 경제의 핵심 부분이 될 것이라고 생각할 충분한 이유가 있습니다. 그리고 기후변화 문제 해결은 일회성 문제가 아닙니다. 기후를 너무 급격하게 변화시키지 않고 향후 수십 년 동안의 병목 현상을 헤쳐나갈 수 있다면 그 이후의 길은 더 순조로워질 수 있습니다.

핵융합은 핵분열과 거의 동시에 잠재적인 에너지원으로 인식되었습니다. 1945년 말 맨해튼 프로젝트 보고 회의에서 제2차 세계대전 당시 시카고에서 최초의 핵분열로 건설 프로젝트를 이끌었던 이탈리아 물리학자 엔리코 페르미(Enrico Fermi)는 발전용 핵융합로를 구상했습니다. 과학자들은 몇 년 후 핵융합 에너지를 방출하는 방법을 알아냈지만, 통제되지 않은 아마겟돈과 같은 수소 폭탄 폭발에서만 가능했습니다. 일부 과학자들은 제어되고 지속적인 방식으로 프로세스를 수행하는 방법을 배우면 전기가 "측정하기에는 너무 저렴"해질 것이라고 예측했습니다.

그러나 도전은 예상보다 훨씬 컸습니다. 허리케인은 "매우 어렵다"고 말했다. "우리는 기본적으로 지구에서 별을 만들고 있습니다." 헬륨을 만들기 위한 두 개의 수소 원자의 융합은 태양과 다른 별에 동력을 공급하는 주요 과정입니다. 그러한 가벼운 원자핵이 결합하면 엄청난 양의 에너지가 방출됩니다. 하지만 이 핵들은 양전하를 갖고 있기 때문에 서로 밀어내며, 정전기 장벽을 극복하고 서로 합쳐지려면 엄청난 압력과 온도가 필요합니다. 과학자들이 핵융합을 위한 연료(수소의 두 가지 무거운 동위원소인 중수소와 삼중수소의 플라즈마 혼합물)를 포함할 수 있다면 반응에서 방출되는 에너지는 반응을 자립할 수 있습니다. 하지만 태양 중심보다 몇 배 더 뜨거운 약 1억 켈빈의 온도에서 플라즈마를 어떻게 병에 담을 수 있을까요?