중국 ‘인공태양’ 마의 장벽 깼다… KSTAR와 ‘꿈의 에너지’ 패권 레이스

중국이 ‘인공태양’으로 불리는 핵융합 장치 가동에서 물리학계가 불가능하다고 여겼던 밀도 한계를 1.65배 넘어서며 무한 청정에너지 상용화를 향한 유리한 고지를 밟았다.

베트남 유력 매체 단지(Dan Tri)는 지난 12일(현지시각), 중국과학원(CAS) 산하 플라스마 물리연구소가 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 게재한 논문을 인용해 중국의 초전도 토카막 핵융합 실험장치(EAST)가 ‘그린월드 한계(Greenwald limit)’를 돌파했다고 보도했다. 이번 성과는 핵융합 발전의 경제성을 가늠하는 핵심 지표인 ‘초고밀도 플라스마’ 제어 기술을 확보했다는 의미로, 인류가 핵융합 에너지를 전력 생산에 활용할 시점을 앞당길 기술적 쾌거라는 평가다.


핵융합은 태양의 에너지 생성 원리를 모방해 가벼운 원자핵이 융합할 때 뿜어져 나오는 막대한 에너지를 활용한다. 탄소 배출이 없고 방사성 폐기물 우려가 적어 ‘인류 최후의 에너지원’으로 통한다. 그동안 섭씨 1억 도 이상의 초고온 기체인 플라스마를 강력한 자기장으로 가두는 과정에서 밀도가 일정 수준을 넘으면 장치 운전이 멈추는 물리적 상한선, 이른바 ‘그린월드 한계’가 상용화의 최대 걸림돌이었다.

중국 연구진은 연료 가스 압력을 정밀하게 조절하고, ‘전자 사이클로트론 공명 가열(ECH)’ 방식을 도입해 이 난제를 풀었다. ECH는 강력한 자기장 속에서 전자가 나선형으로 회전할 때 특정 주파수의 마이크로파(전자기파)를 쏘는 기술이다. 이때 전자의 회전 운동과 파동이 공명(Resonance)하며 에너지를 흡수하고, 고속으로 움직이는 전자가 플라스마 전체 온도를 끌어올린다.
연구에 참여한 주핑 중국과학기술대학교 전기전자공학부 교수는 “기존 이론인 그린월드 한계보다 1.3배에서 최대 1.65배 높은 초고밀도 상태에서도 플라스마를 안정적으로 유지했다”며 “차세대 핵융합로가 더 적은 비용으로 더 많은 에너지를 생산할 실제 경로를 열었다”고 설명했다. 플라스마 밀도가 높을수록 핵융합 반응률이 기하급수적으로 증가하기 때문에, 이번 기술 확보는 곧 발전 단가 하락으로 이어진다.




중국의 이번 성과는 한국이 주도하는 ‘초고온 유지’ 기술과 결합할 때 폭발적인 시너지를 낼 전망이다. 한국의 핵융합 연구 장치 ‘KSTAR’는 고온 제어 분야에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 갖췄다.

KSTAR는 지난 2021년 섭씨 1억 도의 초고온 플라스마를 30초간 유지하며 세계 기록을 썼고, 지난해에는 핵심 부품인 디버터(diverter)를 텅스텐 소재로 교체해 유지 시간을 48초까지 늘렸다. 한국핵융합에너지연구원은 올해 말까지 1억 도 초고온을 300초 동안 유지하겠다는 목표를 세웠다. 300초는 핵융합 반응을 24시간 내내 제어할 수 있는 물리·공학적 임계점이다.
에너지 업계는 한국의 ‘장시간 고온 유지’ 기술과 중국의 ‘고밀도 운전’ 기술이 맞물려야 비로소 투입 에너지보다 생산 에너지가 많은 ‘에너지 순증가(Net Energy Gain)’ 구간에 진입할 수 있다고 분석한다. 경제성 있는 상용 발전소 건설을 위해서는 두 기술의 융합이 필수다.


현재 핵융합 기술 개발은 한국, 미국, 중국, 유럽연합(EU) 등 7개국이 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트를 중심으로 협력과 경쟁이 공존한다. 중국이 확보한 고밀도 운전 데이터는 오는 2039년 프랑스에서 본격 가동할 예정인 ITER의 성공 가능성을 높이는 핵심 기초 자료가 될 것이다.

물론 상용화까지는 여전히 넘어야 할 산이 높다. 초고온·초고밀도 환경을 견디는 소재의 내구성을 확보해야 하고, 장기간 운전 때 발생하는 불안정성을 완벽히 통제해야 한다. 그러나 전문가들은 이번 성과가 에너지 안보를 위한 강력한 자산이 될 것이라고 입을 모은다.

익명을 요구한 학계 관계자는 “핵융합은 기후 위기 대응의 근본 대안이자 에너지 자립의 열쇠”라며 “주요국 간의 핵심 원천 기술 확보 경쟁은 앞으로 더욱 치열하게 전개될 것”이라고 강조했다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com