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* 유럽 핵융합 개발 협정(EFDA) 일정, 2040년대 초까지 건설될 최초의 시범 핵융합 발전소 제공
* 전문가들, 핵융합 기술이 빠르면 2050년까지 상업 발전에 사용될 정도 개발될 것으로 추정
* CFS는 MIT의 플라즈마 물리학자들과 함께 개발한 "SPARC" 핵융합로 가동 계획
* 캐나다 회사인 General Fusion은 소위 Magnetized Target Fusion 사용

ITER 프로젝트 이후의 전망

ITER이 지구에서 가능한 것보다 더 많은 에너지를 핵융합으로 생성하더라도 아직 핵융합 발전소는 아니다. 중수소와 삼중수소 핵의 융합으로 플라즈마에서 생성하는 열은 아직 전기를 생성하는 데 사용되지 않는다. 그러나 핵융합로는 언젠가 이를 달성할 후계자들에게 다리 역할을 할 것이다. 

▲ ITER 뒤에는 핵융합 에너지를 사용해 전기를 생산할 최초의 원자로가 있다. © Marharyta Marko

ITER 이후에 데모가 나온다.

특히, 유럽 핵융합 개발 협정(EFDA) 일정은 2040년대 초까지 건설될 최초의 시범 핵융합 발전소(DEMO)를 제공한다. 이들은 수백 메가와트의 순 전기 생산량을 생성하고 30~50의 Q 계수를 달성해야 한다. 플라즈마에 투입되는 것보다 30~50배 더 ​​많은 열에너지를 방출한다. ITER와 달리 DEMO 원자로는 브리더 블랭킷을 사용하여 자체적으로 삼중수소의 전부 또는 적어도 대부분을 생산해야 한다.

DEMO 원자로는 아마도 더 큰 플라즈마 챔버를 가질 것이지만, 동시에 이러한 시스템에 대한 비용은 측정 및 진단 기술이 덜 설치될 것이기 때문에 ITER보다 낮을 수 있다.

일본, 한국, 인도, 러시아 및 중국을 포함한 여러 국가는 이미 2030년대에 이러한 데모 원자로 건설을 시작할 것이라고 발표했다. 중국은 또한 ITER과 유사한 물리적 세부 사항과 기술을 연구하기 위해 2020년대에 자체 시험 원자로를 건설하기를 바라고 있다.

대부분의 전문가들은 핵융합 기술이 빠르면 2050년까지 상업 발전에 사용될 수 있을 정도로 개발될 것으로 추정하고 있다. Bernard Bigot ITER 사무총장은 “핵융합이 2050년에서 2055년 사이에 시작되어 인류에게 에너지를 공급하는 역할을 하기 희망한다.

민간 경쟁이 치열해지고 있다

ITER과 국가가 후원하는 대규모 테스트 시설을 넘어 핵융합 연구가 움직이기 시작했다.
소수의 신생 기업이 자체 핵융합 원자로를 건설하기를 원하며 그중 일부는 금년이 끝나기 전에 가동에 들어갈 것이다. Tokamak Energy 및 Commonwealth Fusion Systems를 포함한 이러한 회사는 초전도체 기술의 최신 발전에 크게 의존하고 있으며 플라즈마 감금을 위해 고온 초전도체를 기반으로 하는 더 작고 더 강력한 자석을 사용하기를 희망한다.

ITER은 코일을 초전도체로 만들기 위해 액체 헬륨을 사용해 니오븀 주석과 니오븀 티타늄 자석을 영하 273도까지 냉각시켜야 한다. 또한 필요한 자석 강도를 달성하려면 많은 회전이 필요하다. 총 1만km의 케이블이 중앙 솔레노이드 및 토로이달 링 자석에 내장되어 있다.

반면 핵융합 스타트업이 사용하는 고온 초전도체는 영하 200~250도까지 냉각하면 된다.
희토류 금속, 바륨 및 구리로 만든 산화물인 ReBCO(희토류 바륨 구리 산화물)로 구성된다. 이 연결은 덜 극단적인 온도에서 훨씬 더 높은 자기 강도를 생성할 수 있으므로 냉각 기술과 핵융합 시스템을 위한 공간에서 상당한 절약을 의미한다.

Commonwealth 융합 시스템: 2030년 이전 손익분기점

CFS(Commonwealth Fusion Systems)는 불과 몇 년 안에 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 플라즈마 물리학자들과 함께 개발한 "SPARC" 핵융합로를 가동할 계획이다.

현재 매사추세츠 데벤스에 건설 중인 시설은 ITER 도넛 모양의 토카막과 비슷하지만 10배 더 작다. 그럼에도 SPARC는 10년이 끝나기 전에 2 이상의 Q-factor를 달성하여 ITER 이전의 손익분기점을 극복할 것으로 예상된다.

▲ SPARC 핵융합로는 2030년 이전에 손익분기점을 넘을 것으로 예상된다. © Commonwealth Fusion Systems

CFS의 CEO인 Bob Mumgaard는 "이것은 세계가 수십 년 동안 기다려온 핵융합 발전소를 건설하기 위한 전제 조건이다"고 말했다. "확립된 플라즈마 물리학, 혁신적인 자석 및 축소된 크기의 조합은 상업적 핵융합 에너지에 대한 새로운 기회를 열어주고 적절한 시기에 기후 변화에 영향을 줄 것이다."
SPARC 자석의 첫 번째 테스트는 2021년 여름에 계획되어 있으며, A 첫 번째 SPARC 데모가 끝날 때까지 매년 개최된다.

도넛 대신 플라즈마 볼

반면에 토카막 기술의 또 다른 변형은 영국식 토카막 에너지를 사용합니다. 현재 ST-40 핵융합로의 플라즈마 챔버는 링 모양이 아니라 원형이다.
결과적으로 동일한 자기 강도로 더 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있다. 2018년 3월 ST-40은 수소 플라즈마를 처음으로 1,500만 도까지 가열했으며 앞으로 몇 달 안에 1억 도에 도달할 예정이다. Tokamak Energy사의 CEO Jonathan Carlin은 "민간 기업이 이 이정표에 도달한 것은 이번이 처음이다.

▲ 구형 토카막 ST-40의 수백만도 수소 플라즈마. © Tokamak Energy Ltd

공압 압축 및 가스 대포

반면에 두 개의 다른 핵융합 스타트업은 갑작스럽고 짧은 플라즈마 압축으로 시스템에서 핵융합을 촉발하기 때문에 완전히 다른 접근 방식을 사용한다.

캐나다 회사인 General Fusion은 이를 위해 소위 Magnetized Target Fusion을 사용한다. 플라즈마는 액체 리튬으로 만들어진 회전 벽으로 둘러싸인 챔버에 주입된다.
그런 다음 수백 개의 공압 피스톤이 리튬 벽을 압축하여 플라즈마가 융합 온도와 밀도로 압축된다.

이 원칙에 입각한 첫 원자로는 2022년부터 영국 원자력청과 협력해 영국 옥스포드 인근에 건설될 예정이다. 첫 번째 목표는 이 시스템에서 중수소 플라즈마를 1억도까지 가열하여 기존 토카막보다 덜 복잡한 이 기술의 실현 가능성을 증명하는 것이다. 희소한 삼중수소에 의존하지 않기 위해 시험 반응기에는 중수소만 공급되어 융합이 어렵다.

이것이 성공하면 중수소-삼중수소와의 융합도 문제가 되지 않을 것이라고 제너럴 퓨전(General Fusion)은 말했다.

<이것이 Magnetized Targeted Fusion이 작동하는 방식이다. © General Fusion>

역시 Oxford에 기반을 둔 스타트 기업 First Light는 고속 대포를 사용하여 목표물에 가스 또는 고체 발사체를 쏘고 이 시점에서 핵융합 조건을 만든다. 2019년에 구축된 "Machine 3" 시스템에 대한 테스트가 이미 진행 중이지만 아직 합병이나 손익분기점을 달성할 만큼 충분히 발전되지 않았다.

이러한 합병 회사와 그들의 야심찬 계획은 이제 핵융합 에너지가 상업계에서 더 큰 투자를 보증하기에 충분한 실행 가능성을 가지고 있음을 보여준다. ITER의 후계자나 대안 기술 중 하나가 장기적으로 우세할지는 두고 봐야 한다.
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[더사이언스플러스] "No Science No Future"

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