커먼웰스 퓨전, 400MW 원자로 물리학적 근거 제시

출처: Ars Technica

아마도 5년이 안 될 수도 있겠네요?

다섯 편의 동료 검토 논문이 설계를 업데이트하고 예상 출력을 모델링합니다.

과학계는 핵융합 전력을 달성하기 위한 로드맵을 가지고 있다. 현재 건설 중인 ITER 반응로를 이용해 토카막식 반응기에서 핵융합을 제어하는 방법을 더 잘 이해하고, 그 지식을 바탕으로 DEMO형 발전소를 건설하는 것이 목표다. 하지만 ITER는 2030년대 중반까지는 뜨거운 플라즈마를 볼 수 없을 것으로 예상되며, 그때쯤이면 태양광 패널 가격이 너무 저렴해져서 우리 모두가 시리얼 박스에 무료로 넣어받게 될지도 모른다.

Commonwealth Fusion은 “그럼 지금 바로 해보면 어떨까?”라는 질문을 던지는 스타트업이다. ITER에 해당하는 토카막인 SPARC는 현재 70% 이상 완성됐으며, 내년이면 가동될 계획이다. 이 회사는 전력을 생산할 후속 프로젝트인 ARC에 대한 부지와 고객을 이미 확보하고 있다. 두 프로젝트 모두 고온 초전도체를 이용해 매우 강력한 자기장을 생성함으로써 더 작은 반응기를 만들고, 이를 통해 개발 속도를 높이는 것을 전제로 한다.

수년간 토카막에 플라즈마를 주입해 온 경험은 이러한 계획의 기본이 타당함을 확신하게 해준다. 하지만 세부 사항마다 수많은 함정이 존재한다(그렇지 않다면 실험용 반응기가 필요 없을 테니까). 그래서 Commonwealth의 과학자들은 학계와 협력해 최근 ARC에 대한 다섯 편의 동료 검토 논문을 발표했다. 논문에서는 현재 최고의 모델이 보여주는 결과와, SPARC에서 배워야 할 사항을 정리해 차세대 핵융합 발전소 설계를 마무리하는 데 필요한 정보를 제공한다.

ARC의 기본 구조

이 논문들은 모두 Journal of Plasma Physics에 게재됐으며, 오픈 액세스이므로 직접 확인할 수 있다. 다만 PDF가 30~40페이지에 달하는 긴 분량이며 고도의 기술적 내용이 포함돼 있다. 여기서는 주요 내용과 읽으면서 눈에 띈 몇 가지 포인트를 정리한다.

ARC는 수소의 두 무거운 동위 원소인 중수소와 삼중수소가 융합되는 토카막이다. 이 반응은 헬륨 핵을 생성하고 중성자와 방사선을 방출한다. 헬륨은 플라즈마에 열을 전달해 융합에 필요한 조건을 유지하지만, 핵융합 맥락에서는 “재(ash)”라 불리는 폐기물에 불과하다. 반면 중성자와 방사선은 에너지 회수에 활용된다.

그 활용 방식 중 하나는 융합 챔버를 둘러싼 용융염 블랭킷에 에너지를 전달하는 것이다. 열 형태의 에너지는 터빈을 구동해 전기를 생산한다. 용융염에는 리튬 이온이 포함돼 있는데, 리튬 동위 원소가 중성자를 흡수하면 헬륨과 삼중수소로 붕괴한다. 삼중수소는 다시 연료로 사용될 수 있다. 또한 추가 중성자를 방출하는 동위 원소도 존재해 연료 생산을 지속한다.

현재 설계에 따르면 ARC는 약 1.13 GW의 핵융합 출력을 내며, 그 중 500 MW를 전기로 추출한다. 이 중 100 MW는 플랜트 운영에 필요하고, 나머지 400 MW가 전력망에 공급된다.

나머지 에너지는 토카막 내부에서 융합 반응을 유지하거나, 열·에너지 전달 효율 손실로 사라진다. 이 수치에는 큰 불확실성이 존재한다. 1.13 GW는 900 MW에서 1.3 GW까지 가능한 범위의 중앙값에 불과하므로, 400 MW 출력도 상황에 따라 증감될 수 있다.

그 400 MW 중 일부는 융합이 일어나지 않는 기간에도 발생한다. 핵반응은 15분간 진행된 뒤 1분간 리셋되는 사이클을 반복한다. 리셋은 플라즈마가 충분히 식지 않도록 짧게 유지되며, 열 관성 덕분에 전력 생산을 지속할 수 있다. 이는 열 추출 장치가 없어 장시간 안정적인 융합을 유지하지 못하는 SPARC와의 주요 차별점이다.

장치 일부는 방사선이나 융합 플라즈마에 노출될 수밖에 없다. 반응기의 내부 벽은 텅스텐으로 보호돼 침식이 제한된다. 한편, 진공 용기는 1~2년마다 교체하도록 설계돼 있다. 논문에서는 이러한 유연성을 통해 ARC가 완공된 뒤에도 설계 변경이 가능하다고 언급한다. 이를 위해 토카막 전체를 반으로 분리해 유지보수할 수 있게 설계했다.

불안정성

ARC 운영에서 가장 큰 두 가지 불확실성은 오랫동안 핵융합 분야가 직면해 온 과제다: 자기 불안정성을 어떻게 다룰 것인가, 그리고 헬륨 재와 자기 구속을 벗어나는 물질을 어떻게 처리할 것인가.

후자의 경우는 15분 운영 후 진행되는 리셋으로 반응 챔버를 비우고 새로운 연료를 주입함으로써 어느 정도 해결한다. 그러나 운영 중에는 디버터(divertor)라 불리는 영역이 역할을 한다. 여기서는 자기장 라인을 조정해 일부 물질이 구속 영역을 빠져나가게 만든다.

“ARC의 핵융합 전력 출력을 극대화하면서 플라즈마와 접촉하는 부품의 과도한 침식을 방지하려면, 마지막 폐쇄 플럭스 표면을 통과하는 대부분의 전력을 복사적으로 소산시켜야 한다. 이를 위해 아르곤이나 네온과 같은 복사 불순물을 주입해 디버터 탈착(divertor detachment)을 유도한다. 디버터 탈착은 고성능 핵심 플라즈마와 결합되어야 하며, 헬륨 재가 핵심에 축적되는 것을 방지하기 위해 효율적인 불순물 펌핑이 필요하다.” — 논문 중 한 구절

모델에 따르면 디버터는 충분한 압력을 유지해 헬륨 재를 충분히 배출함으로써 융합 반응을 방해하지 않게 할 것으로 예상된다. 하지만 이 예측은 실험을 통해 검증해야 한다.

자기 불안정성은 플라즈마 제어를 급격히 상실하게 만들 수 있다. 이 경우 고에너지 전하 입자가 반응기 벽에 충돌할 위험이 있다. 텅스텐이 손상을 제한하고 민감한 부품을 보호하지만, 텅스텐이 침식되면 그 파편이 챔버에 남아 이후 운전에도 오염을 일으킬 수 있다.

많은 연구가 플라즈마를 가두는 자기장을 제어하는 시스템 설계에 투입돼 왔다. 불안정성을 사전에 감지할 센서 데이터를 찾고, 이를 억제할 조정을 선택하는 것이 핵심이다. (AI 기반 시스템이 도움이 될 수도 있다.) Commonwealth는 가능한 한 많은 불안정성을 차단하려고 하지만, 일부는 불가피하게 발생할 것이라 현실적으로 예상한다. 따라서 시스템을 최소한의 손상으로 빠르게 소화(quench)하고, 열 추출 시스템이 크게 식지 않도록 신속히 재시작하는 전략을 세웠다. 본질적으로는 1분 리셋 동안 시스템이 보통 상태에 머무는 방식을 빠르게 재현하는 것이다.

불안정성 중 하나는 **러너웨이 전자