본문 바로가기 주메뉴 바로가기

핵융합

  • Fusion Story
  • 핵융합
핵융합의 다른 글

201912.19

美 핵융합의 화두는? 4차 산업 기술과 산학연 협력

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/1037

 태양은 자연 핵융합로이다. <사진출처= WIKIPEDIA> 태양은 자연 핵융합로이다. <사진출처= WIKIPEDIA>

 

“작은 것이 아름답다.”


1973년 영국의 경제학자 에른스트 슈마허(E. F .Schumacher)는 병든 지구를 위해 ‘절제와 검소가 미덕인 사회’로의 전환을 주장하며 사회적 반향을 일으켰습니다.

 

중수소 100㎏, 리튬 3t으로 석탄 300만t을 사용하는 화력발전과 맞먹는 에너지를 생산할 수 있는 핵융합 발전이야말로 ‘작은 것의 미덕’을 보여주는 미래 에너지입니다. 하지만 태양의 핵융합 반응을 지구에서 구현하기 위해서는 많은 투자와 노력이 필요합니다. 전 세계가 힘을 모아 프랑스 카다라쉬에 건설 중인 국제핵융합실험로 ‘ITER’처럼요.

 

최근 미래 에너지에 대해 높아진 기대감, 그리고 슈퍼컴퓨팅, 인공지능(AI), 로봇공학 등 고도화된 4차 산업 기술은 핵융합에너지 연구개발에도 변화를 불러오고 있습니다. ITER 프로젝트와 같이 국제협력 중심의 기본 전략은 유지하면서도, 동시에 작지만 효율적인 소형 핵융합로 개발과 같은 다양한 방식으로 상용화 시기를 앞당기자는 목소리입니다. 이에 발맞추어 미국에서도 다양한 변화를 시도하는 움직임이 감지됐습니다.

 

 별이 빛나는 이유를 밝힌 물리학자 한스 베테의 이름을 딴 에너지 혁신 프로그램이 시작됐다. <사진 출처 = WIKIPEDIA>

 별이 빛나는 이유를 밝힌 물리학자 한스 베테의 이름을 딴 에너지 혁신 프로그램이 시작됐다. <사진 출처 = WIKIPEDIA>

 


지난 11월 13일 미국의 ‘ARPA-E’는 핵융합 연구개발을 위한 새로운 에너지 혁신 프로그램 ‘BETHE(Breakthroughs Enable Nunuclear-fusion Energy)’에 3,000만 달러를 지원한다고 발표했습니다. 핵융합 이론을 세운 물리학자 한스 베테의 이름을 딴 새로운 프로젝트를 이끌  에너지첨단연구프로젝트사무국(ARPA-E)의 레인제나토프스키(Rane Genatowski) 국장은 “저렴하고 상업적으로 실행 가능한 핵융합은 저탄소 전력을 제공하여 에너지 기술 분야에서 미국의 리더십을 확보할 것”이라고 기대를 밝혔습니다. 이번 콘텐츠에서는 산학연 협력과 4차 산업 기술을 통해 핵융합의 미래를 만들고자 하는 미국의 연구 동향을 살펴보겠습니다.

 

 

|석학 커뮤니티가 먼저 움직인 미국의 핵융합 전략

 

미국은 1951년 스텔러레이터(Stellarator)를 개발할 정도로 앞선 장치기술을 보유한 핵융합 선진국입니다. 지금도 제너럴 아토믹스(GA)의 DIII-D를 비롯해 프린스턴 플라즈마물리연구소(PPPL)의 NSTX-U 등 핵융합장치를 실제 가지고 있으며, 이를 통한 다양한 실험을 계획하고 있습니다. 지난 11월에는 미국 에너지부가 DIII-D를 통한 핵융합 연구에 앞으로 5년간 1억2150만 달러를 지원하는 협약을 맺었습니다. ITER의 성공을 위한 물리적 해법을 찾고 핵융합 플라즈마에 대한 넓은 이해를 확대해 달라는 주문과 함께 말이죠. 이러한 토카막 장치를 활용한 연구 외에도 레이저 핵융합 등 핵융합의 외연도 넓혔습니다.

그동안 미국은 많은 투자가 필요한 신규 장치 건설보다 기존 핵융합 장치 운영 효율화에 자원을 집중했습니다. 대신 국제협력을 강화해 한국의 KSTAR, 중국 EAST 등 해외 핵융합 장치를 적극 활용하고 자국 내에서는 재료 및 시뮬레이션 분야의 원천기술 연구로 ITER를 주도하는 전략을 구사했습니다.

 

 PPPL의 NSTX는 핵융합 선행연구를 진행해왔다. 현재 NSTX의 업그레이드 버전인 NSTX-U은 장치 성능 향상을 위해 보수 중에 있다. <사진출처=ITER> PPPL의 NSTX는 핵융합 선행연구를 진행해왔다. 현재 NSTX의 업그레이드 버전인 NSTX-U은 장치 성능 향상을 위해 보수 중에 있다. <사진출처=ITER>

 

 

변화의 바람은 석학커뮤니티를 중심으로 일고 있습니다. 미국 과학공학의학한림원(NASEM)이 지난해 소형 핵융합 파일럿 발전소 건설을 제안한 것인데요. 많은 예산과 자원이 필요한 대형실증로(DEMO) 대신, 소형 장치를 통해 경제적‧효율적으로 핵융합 전력 생산을 시도하자는 목소리입니다. 핵융합 프로토타입 중성자원시설(FPNS)의 건설 제안도 같은 맥락입니다. EU의 IFMIF 핵융합조사시설이 완성되려면 막대한 비용과 시간이 소요되기에, 미국 내에서 상대적으로 적은 비용으로 단기간에 핵융합 방사화 연구역량을 증진하여 글로벌 리더십을 발휘하자는 주장입니다.

 

 

|건강한 핵융합 산업 생태계는 미국의 경쟁력

 

1960년대부터 우주개척에 나섰던 미국은 민관 협력의 중요성을 몸소 체득했습니다. 다양한 가능성과 아이디어를 갖춘 스페이스X, 오비탈ATK, 블루오리진과 같은 민간 기업의 참여가 달과 화성으로 가는 길의 속도와 경쟁력을 높였습니다.

 

같은 이유로 미국은 핵융합 분야에서도 민간기업과의 협력을 강조합니다. 핵융합에너지 개발을 가속화하기 위해 산업체와 공공 연구기관 간의 연구 파트너십을 강화하는 INFUSE(Innovation Network for Fusion Energy) 혁신 프로그램도 그 일환인데요. 지난 6월부터 유망기술, 재료과학, 플라즈마 진단, 이론 및 시뮬레이션, DOE 연구시설에 필요한 연구 등 5개 분야, 총 12개의 프로젝트가 선정되었습니다. 최종 선정된 기업과 함께 핵융합 산업생태계를 활성화하고 대학, 연구기관의 예산 한계를 극복한다는 복안입니다. 선정 기업은 프로젝트 예산의 20%를, 정부가 80%를 지원하여 핵융합에너지 난제 해결에 기여할 전망입니다.

 

제너럴 아토믹스(GA)의 DIII-D <사진출처=GA> 제너럴 아토믹스(GA)의 DIII-D <사진출처=GA> 

 

 

미국의 핵융합 스타트업은 작지만 빠른 움직임으로 핵융합 상용화 시기를 정부의 계획보다도  10년 이상 앞당긴다는 포부입니다. 특히 트라이알파에너지(TAE)는 2024년 핵융합에너지 상용화를 목표로 충돌빔의 원리를 적용한 핵융합장치인 CBFR(colliding beam fusion reactor) 개발에 나섰습니다. Google의 데이터 분석용 AI, 머신러닝 등을 활용해 플라즈마 실험을 위한 최적의 알고리즘도 찾고 있습니다.

 

미국 최대 방산업체인 록히드마틴은 2014년 가을, 트럭에 탑재할 수 있는 크기의 소형 핵융합로 개발을 진행하고 있다는 놀라운 소식을 전했는데요. 당시 ‘10년 내 상용화’라는 구체적인 계획을 밝히며 국제 핵융합 연구계를 놀라게 했었죠.

 

자세히 보기 ☞ "항공모함·비행기 동력을 핵융합으로?미니핵융합로 향한 록히드마틴의 꿈 "

 

아직은 연구 단계에 있지만, 기술이 완성되면 잠수함과 항공모함 등 새로운 에너지원을 필요로 하는 첨단 산업 발전을 이끌 수 있을지 큰 관심을 불러모으고 있습니다.

 

 

|핵융합 속도 높이는 시뮬레이션, 인공지능, 양자컴퓨터 기술

 

핵융합 연구는 데이터 연구의 다른 이름이라 할 만큼 방대한 실험 데이터 분석이 중요합니다. 일례로 우리나라의 핵융합장치 KSTAR는 30초 내외의 플라즈마 운전 실험 한 번에 약 수십 기가바이트, 하루에만 약 1테라바이트 이상의 대용량 데이터가 생산됩니다. 이렇게 무한대에 가까운 경우의 수 속에서 복잡한 핵융합 플라즈마 현상을 이해하고 불안정한 고온의 플라즈마를 제어하기 위해 물리 법칙에 기반을 둔 시뮬레이션 기술도 점점 진화를 꾀하고 있습니다.
 
미국에서는 고성능 슈퍼컴퓨팅을 활용한 과학적 난제 연구를 지원하는 SciDAC(Scientific Discovery through Advanced Computing) 프로그램을 통해 다양한 핵융합 통합 시뮬레이션 연구가 수행되고 있습니다. 이들 핵융합 통합 시뮬레이션 연구에서는 고성능 슈퍼컴퓨팅을 활용해 핵융합 이론이나 실험을 검증하고 경험 기반 연구의 불확실성을 감소시킬 수 있는 방안을 모색하고 있는데요. 현재 SciDAC 프로그램에서는 총 9개의 핵융합 프로젝트가 진행되고 있으며, 각 프로젝트에는 연구 시너지 창출을 위해 연구소뿐 아니라 대학, 산업체가 공동 참여하고 있습니다.

 

핵융합 시뮬레이션 연구는 엑사 스케일 슈퍼 컴퓨터 구축 사업을 지원하는 엑사스케일 컴퓨팅 프로젝트(ECP)에서도 진행되고 있습니다. ECP에 참여하는 미국 프린스턴 플라즈마 물리 연구소(PPPL) 팀에서는 국제핵융합실험로 ITER의 실험을 지원하고 미래 핵융합 발전소 설계 최적화 등을 위한 예측 수치 시뮬레이션 연구를 진행하고 있습니다. ITER를 비롯해 미래 건설될 핵융합 시설의 경우 기존의 핵융합 실험장치보다 훨씬 큰 규모를 자랑할 것으로 예상하는데요. 장치의 규모도 커지는 만큼 현재의 페타플롭스 규모 이상의 슈퍼컴퓨터가 필요하기 때문이죠. 이렇듯 핵융합에너지 연구에 있어 슈퍼컴퓨터는 필수적인 존재로 자리 잡고 있습니다.

 

구글이 개발한 양자컴퓨터. 핵융합 연구와 양자컴퓨터가 만난다면 엄청난 시너지를 낼 것이라 기대하고 있다. <사진출처=Google>  구글이 개발한 양자컴퓨터. 핵융합 연구와 양자컴퓨터가 만난다면 엄청난 시너지를 낼 것이라 기대하고 있다. <사진출처=Google>

 

 

양자컴퓨터의 약진도 빼놓을 수 없는 호재입니다. 최근 구글이 개발한 양자컴퓨터는 현존 세계 최고 슈퍼컴퓨터 IBM 서밋이 1만 년 걸릴 계산을 단 3분 만에 끝냈다고 합니다. 미국양자정보과학회(QIS)는 지난해 5월 워크숍을 열고 ① 양자 계산을 위한 Classical 플라즈마 물리학 문제 재개념화 ② 핵융합 문제에 양자 시뮬레이션 적용 관련 단기 과제 ③ 핵융합에너지 과학 관련 양자 센싱 ④ 양자물질 개발을 위한 고에너지 밀도 실험실 플라즈마 과학 ⑤ 큐비트(qubit) 제어 및 양자 커뮤니케이션 관련 플라즈마 과학 ⑥ 양자 시스템 시뮬레이션 및 제어 관련 플라즈마 과학 툴 마련을 주요 내용으로 하는 핵융합 6대 우선 연구과제를 발표했습니다. 이 연구과제를 토대로 현재 6개의 지원대상 프로젝트를 진행하겠다고 했는데요. 양자컴퓨터 발전이 핵융합 발전에 속도를 더할 것은 분명해 보입니다.

 

 

|과거 50년과 앞으로의 50년은 다르다

 

이 같은 사회적, 기술적 진화를 바탕으로 미국 에너지부 산하 핵융합에너지 자문위원회(FESAC)는 지난해 12월 새로운 핵융합 중장기 전략 마련에 나섰습니다. 자문위원회는 그동안 보류 중이었던 인프라 아이디어 평가, 민간영역의 핵융합에너지 개발 참여 방안 등을 핵융합 연구 커뮤니티와 함께 모색하여 2020년 12월까지 다양한 예산 시나리오를 토대로 새로운 전략을 마련할 방침입니다.

 

지금까지 핵융합 상용화로 가는 길이 더뎠던 이유는 거대한 시설과 장비, 인력과 예산이 충분하지 않았기 때문입니다. 또 핵융합에 대한 인류의 열망도 무르익지 않았기 때문입니다. 미국의 움직임에서 알 수 있듯 비로소 미래 에너지를 찾는 혁명적인 변화가 시작되고 있습니다.

 

“혼자서 꾸는 꿈은 단지 꿈이지만 함께 꾸는 꿈은 현실이 된다.”
핵융합 과학자들은 이야기합니다. 과거 50년과 앞으로의 50년은 다르다고요. 지금까지 쌓아온 기술에 4차 산업 기술을 더하면 핵융합 상용화 시기는 더욱 앞당겨지리란 기대입니다. 정부의 적극적인 에너지 정책과 지원 속에 학계와 산업계의 상호협력이 지속되면 핵융합 과학자들은 곧 꿈을 현실로 이뤄낼 것입니다. 인류가 늘 그 답을 찾아왔듯이 말입니다.

 

미국 프린스턴 플라즈마물리연구소 <사진 출처=NFRI> 

미국 프린스턴 플라즈마물리연구소 <사진 출처=NFRI>

  •  좋아요 bg
    2
    좋아요 bg
  •  카카오스토리 공유 bg
    363
    카카오스토리 공유 bg
  •  카카오톡 공유 bg
    363
    카카오톡 공유 bg

댓글 0

정보에 대해 만족하십니까?

TOP