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2022년 과학적 점화와 고온초전도 자석, 그런데 'Q'라는 한 글자에 숨은 함정
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핵융합에는 오래된 농담이 하나 있다. "핵융합은 영원히 30년 후의 기술이다." 1950년대부터 연구자들은 곧 된다고 했고, 70년이 지나도 여전히 '곧'이었다. 태양이 매일 하는 일을 지상에서 따라 하는 것 — 가벼운 원자핵을 융합시켜 막대한 에너지를 뽑아내는 것 — 은 인류가 가질 수 있는 가장 깨끗하고 거의 무한한 에너지원이지만, 그 '곧'은 늘 지평선처럼 물러났다.
그런데 최근 몇 년 사이, 이 농담의 결이 조금 달라졌다. 2022년 미국의 한 시설이 처음으로 표적에 들어간 레이저 에너지보다 더 큰 융합 에너지를 뽑아냈고, 고온초전도(HTS) 자석이라는 새 부품이 토카막을 더 작고 더 강하게 만들 길을 열었다. 민간 기업들이 2030년대 상용화를 공언하며 돈을 쏟아붓기 시작했다.
이 글은 그 변화를 따라간다. 왜 핵융합이 그토록 어려웠는지, 두 갈래의 길이 어떻게 갈렸는지, 무엇이 진짜 전환점이었는지 — 그리고 가장 중요하게, "에너지 순증"이라는 말이 실제로 무엇을 뜻하는지. 흥분과 정직 사이의 거리를 정확히 재는 것이 이 이야기의 핵심이다.
한 가지 미리 밝혀 둔다. 여기 인용하는 논문은 거의 전부 동료심사 전 프리프린트(arXiv)다. 핵융합은 진보가 빠르고 주장이 과감한 분야라, 프리프린트의 한 줄을 최종 결론으로 읽으면 안 된다는 사실 자체가 이 이야기의 일부다.
핵융합이 어려운 이유는 한 문장으로 요약된다. 세 가지를 동시에 만족시켜야 한다. 충분히 높은 온도, 충분히 높은 밀도, 그리고 그 상태를 충분히 오래 가두는 에너지 가둠 시간이다. 이 세 조건을 묶은 것이 1955년 존 로슨이 제시한 로슨 기준이다. 이를 현대적으로 정리한 한 리뷰는 연료 밀도 n, 가둠 시간 τ, 온도 T를 융합 플라스마의 에너지 이득 Q와 연결하는 핵심 개념으로 로슨 기준을 설명하며, 자기·관성·자기관성 등 서로 다른 방식의 역사적·현대적 실험들이 실제로 달성한 값들을 한데 모았다 (arXiv:2105.10954).
세 값을 곱한 삼중곱(nTτ)이 일종의 통과 점수다. 문제는 이 점수를 넘기기가 지독히 어렵다는 데 있다. 수소 원자핵은 둘 다 양전하라 서로 밀어내고, 이 반발을 이기고 충돌해 융합하려면 1억 도가 넘는 온도가 필요하다. 그 온도의 플라스마를 어딘가에 가둬야 하는데, 그렇게 뜨거운 것은 어떤 그릇에도 닿을 수 없다.
여기서 길이 둘로 갈린다. 가두는 방식이 다른 것이다.
첫 번째 길은 자기 가둠이다. 플라스마는 전하를 띤 입자들의 모임이라 자기장에 갇힌다. 강한 자기장으로 도넛 모양(토러스)의 '보이지 않는 병'을 만들어 뜨거운 플라스마를 벽에서 떼어 놓는 것이다. 대표 설계가 토카막이고, 코일 배치를 비틀어 만든 변형이 스텔러레이터다.
별이 플라스마를 가두는 데는 별 자체의 막대한 질량(중력)이면 충분하지만, 지상에서는 그게 불가능해 초전도 코일의 자기장에 의존해야 한다는 점을 한 연구는 분명히 한다 (). 자기 가둠의 오랜 골칫거리는 가둠이 완벽하지 않다는 것 — 자기장의 작은 오차나 플라스마 불안정성이 가둠을 망친다. 한 이론 연구는 초전도체의 성질과 토러스 위상을 결합하면 융합 이론이 요구하는 정밀한 3차원 자기장 형상을 완전히 가둘 수 있음을 보였고, 이 전략이 가장 앞선 두 스텔러레이터인 LHD와 W7-X의 자기장 분포를 정확히 재현할 수 있다고 제시했다 ().
토카막은 그동안 꾸준히 발전했다. 한국의 KSTAR는 초전도 토카막으로 장시간 고성능 운전 연구를 이끌어 왔고, 중성입자빔 가열 중의 알펜파(Alfvén wave) 활동을 처음 관측하는 등 플라스마 물리의 정밀 측정 무대가 됐다 (arXiv:1301.4708). 가둠을 더 잘하려면 가장자리에서 터지는 불안정성(ELM)을 길들여야 하는데, 유럽의 여러 토카막(ASDEX Upgrade, JET, TCV 등)은 큰 ELM 없이 운전하는 다양한 모드를 개발했고, 그중 QCE는 정규화해서 보면 페데스탈 성능이 기존 ELMy H-mode와 크게 다르지 않다는 점까지 확인돼 ITER와 미래 원자로의 운전 시나리오로 검토되고 있다 (arXiv:2604.20484).
두 번째 길은 관성 가둠(ICF)이다. 발상이 완전히 다르다. 가두지 않고, 순식간에 압축한다. 좁쌀만 한 연료 캡슐(중수소-삼중수소)에 거대한 레이저 수백 개를 동시에 때려, 표면을 폭발적으로 날려 보내면 그 반작용으로 연료가 안쪽으로 내파(implosion)하며 초고밀도·초고온의 '핫스팟'을 만든다. 연료 자신의 관성이 흩어지기 전 찰나 동안 융합이 일어난다 — 그래서 '관성' 가둠이다.
미국 국립점화시설(NIF)이 이 길의 대표 주자다. ICF에서 핵심은 '점화(ignition)' — 융합으로 생긴 알파입자가 다시 연료를 데워 연쇄적으로 타들어가는 자기 가열 상태에 진입하는 것이다. NIF의 점화 설계를 다룬 한 연구는 자기 가열, 견고한 점화, 전파 연소라는 세 영역으로 나누어 핫스팟의 에너지 균형을 분석했다 (arXiv:1902.05861). 점화의 문턱을 정밀하게 맞추는 일은 알파입자가 에너지를 어떻게 내려놓는지(저지능, stopping power)에도 민감해서, 같은 융합 에너지를 내는 데 모델에 따라 투입 에너지가 10%가량 달라진다는 계산도 있다 (arXiv:1702.07729).
흥미롭게도 핫스팟 안에서는 자기장이 스스로 생겨난다. 한 연구는 내파 비대칭 주변에서 자발적으로 자라난 자기장이 NIF 실험에서 5킬로테슬라를 넘을 수 있고, 이것이 전자의 열손실을 5% 넘게 줄여 점화 문턱을 약간 낮추고, 문턱 근처 조건에서는 융합 수율을 네 배까지 키울 수 있다는 것을 시뮬레이션으로 보였다 (arXiv:2203.08258). 난류조차 활용 대상이 된다 — 핫스팟에 미세한 난류 운동에너지가 있으면 더 낮은 온도에서 점화할 수 있다는 수정된 점화 기준이 제시되기도 했다 (arXiv:2507.18917). 다만 이런 연구들은 점화 '문턱'을 다루는 이론·시뮬레이션이지, 그 자체가 발전소를 뜻하지는 않는다.
가장 상징적인 사건은 NIF의 점화다. 로슨 기준 진척을 다룬 원 리뷰(2021)가 나온 뒤, 같은 저자들이 펴낸 갱신판은 최근 실험 결과를 반영해 삼중곱과 로슨 변수의 도달값을 다시 그렸고, 특히 달성 시점별 '과학적 에너지 이득(scientific energy gain)' 그래프를 새로 추가했다 (arXiv:2505.03834). 즉 표적에 들어간 에너지보다 더 큰 융합 에너지가 나오는 지점에 처음 도달했다는, 수십 년 만의 이정표가 데이터로 기록된 것이다.
여기서부터 정직함이 필요하다. '과학적 이득'이 뜻하는 것은 레이저가 표적에 전달한 에너지 대비 융합 에너지다. 이것이 1을 넘은 것은 분명한 과학적 성취지만, 뒤에서 다시 다루듯 시설 전체가 소비한 전력까지 따지면 이야기가 전혀 달라진다.
자기 가둠 쪽의 전환점은 부품에서 왔다. 고온초전도(HTS) 자석이다. 토카막의 성능은 자기장 세기에 강하게 의존하는데, 자기장이 강할수록 같은 성능을 더 작은 장치에서 낼 수 있다. 기존 저온초전도체로는 도달하기 어려웠던 고자기장을 HTS는 가능하게 한다.
HTS 자석 기술은 오래 다듬어져 왔다. 한 리뷰는 고에너지 입자가속기나 뮤온 충돌기 같은 미래 장치를 위한 HTS 고자기장 자석의 현황과, 코일 제작·전자기 거동·퀜치(quench) 같은 공학적 과제를 정리했다 (arXiv:1108.1634). 퀜치 — 초전도 상태가 갑자기 깨지며 막대한 에너지가 한곳에 쏟아지는 현상 — 는 HTS 자석의 핵심 난제로, 전파가 매우 느려 기존 보호 방식이 통하지 않는다는 점이 일찍부터 지적됐고, 같은 리뷰가 광섬유 기반 센서나 열전도성 전기절연체 같은 새 기술을 해법 후보로 검토했다 (arXiv:1401.3937).
이 흐름의 상징이 SPARC다. 커먼웰스 퓨전 시스템스(CFS)가 건설 중인 소형 고자기장 토카막으로, 한 연구는 SPARC를 "현재 CFS가 건설 중인 컴팩트 고자기장 토카막"으로 명시하며 오차 자기장 보정 코일을 설계했다 (arXiv:2601.12469). SPARC의 자기장은 축 위에서 12.2테슬라에 달하고 (arXiv:2603.01208, arXiv:2409.13670), DT 운전 시 140메가와트의 융합 출력과 약 Q≈11의 에너지 이득을 목표로 한다는 감마선 진단 연구가 그 설계값을 구체적으로 제시한다 (arXiv:2605.04248). (다시 강조하지만 이 Q≈11은 '목표 설계값'이자 플라스마 기준 이득이다.)
같은 계열의 발전소 개념이 ARC다. ARC는 JET 정도 크기(주반경 약 3.3m)의 컴팩트 고자기장(약 9.2T) 토카막으로 약 525메가와트의 융합 출력을 노리며, 분리 가능한 HTS 토로이달 자석과 용융염(FLiBe) 블랭킷이라는 새 설계를 특징으로 한다 (arXiv:1809.10555). HTS의 위력은 더 극단적인 설계에서도 드러난다 — 한 연구는 REBCO(고온초전도) 코일로 23테슬라의 첨두 자기장을 내면서 변형률을 0.4% 아래로 유지하는 부상형 쌍극자 발전소를 설계해, 667메가와트 융합 출력에서 208메가와트의 순전기출력을 예측했다 (arXiv:2602.20564). 이는 어디까지나 설계 예측이지 실증값이 아니다.
ICF도 레이저만 있는 게 아니다. 자기구동 관성 가둠은 강한 전류로 만든 자기장으로 연료를 압축한다. 한 연구는 퍼시픽 퓨전(Pacific Fusion)이 시설 이득(facility gain) 달성을 목표로 개발 중인 6천만 암페어(60MA) 시연 시스템을 언급하며, MagLIF 같은 자기구동 ICF 개념을 점화 규모로 모델링하기 위한 코드 검증을 수행했다 (arXiv:2504.10760). 여기서 쓰인 표현이 의미심장하다 — '과학적 이득'이 아니라 '시설 이득', 즉 표적이 아니라 시설이 쏟아부은 에너지를 기준으로 삼은 이득을 처음부터 목표로 내건 것이다.
이제 이 글에서 가장 중요한 부분이다. 핵융합 뉴스를 읽을 때 반드시 구분해야 하는 것이 있다. 에너지 이득 Q는 한 종류가 아니다.
① 플라스마/표적 이득 (Q_plasma). 플라스마에 들어간 가열 에너지(또는 표적에 도달한 레이저 에너지) 대비 융합 에너지다. 2022년 NIF가 1을 넘긴 것이 바로 이 값이고 (arXiv:2505.03834), SPARC가 노리는 Q≈11도 이 종류의 목표값이다 (arXiv:2605.04248). 과학적으로는 결정적인 문턱이다.
② 공학적 이득 (Q_engineering). 발전소 전체가 소비한 전력 대비 실제로 그리드에 내보낼 수 있는 전력이다. 여기에는 레이저의 벽플러그 효율(콘센트 전력 대비 레이저로 나온 에너지의 비율 — NIF급 레이저에서는 이게 매우 낮다), 자석을 식히는 냉각, 진공·제어 시스템, 그리고 열을 전기로 바꾸는 발전 효율까지 전부 들어간다.
이 둘의 격차는 작지 않다. 시설 전체로 보면 현재의 어떤 핵융합 실험도 아직 순(純)에너지 적자다 (arXiv:2212.03206). NIF가 표적 기준으로 이득을 냈어도, 그 한 발을 쏘기 위해 레이저 시설이 빨아들인 콘센트 전력은 표적에 도달한 에너지보다 훨씬 컸다. 이 구분은 학계도 명시적으로 다룬다 — 아네우트로닉(p-¹¹B) 발전소를 따진 한 연구는 '발전소 손익분기(power plant breakeven)'가 '점화'와 다른 조건임을 짚으며 0차원 전력 균형 분석을 그쪽으로 확장했고, 고효율 열기관 같은 개선을 얹으면 요구되는 로슨곱이 크게 낮아질 수 있다고 봤다 — 즉 발전소 손익분기는 점화보다 오히려 낮은 문턱일 수도 있다는 주장이다 (arXiv:2310.18508). 그리고 ①과 ② 사이에는 '시설 이득(facility gain)'이 있다. 시설이 실제로 쏟아부은 에너지 대비 융합 에너지로, 표적 기준보다는 넓고 그리드 송전 기준보다는 좁다. 퍼시픽 퓨전이 '과학적 이득'이 아니라 처음부터 이 '시설 이득'을 목표어로 내건 것 (arXiv:2504.10760) 도 같은 맥락이다.
요컨대, "핵융합이 에너지를 순증했다"는 헤드라인은 거의 항상 ①(과학적/표적 이득)을 말한다. ②(공학적 이득)는 아직 어느 곳도 달성하지 못했다. 이 구분을 흐리면 진척을 과장하게 된다.
설령 플라스마가 잘 타올라도, 그것으로 전기를 파는 발전소가 되려면 산적한 공학 문제를 넘어야 한다.
DT 핵융합의 연료인 삼중수소는 반감기가 12.33년으로 짧고 자연에 거의 없다. 따라서 발전소는 삼중수소를 내부에서 스스로 증식(breeding)해야 한다 (arXiv:2604.19647). 방법은 융합에서 나오는 고에너지 중성자를 블랭킷의 리튬과 반응시켜 삼중수소를 만드는 것 — 소비하는 양보다 더 많이 길러야 하므로 삼중수소 증식비(TBR)가 1을 넘어야 자급이 성립한다 (arXiv:2310.00220).
이것이 실험으로 증명되기 시작했다. MIT의 BABY 실험은 용융염에 14메가전자볼트 중성자를 쪼여 TBR을 직접 측정한 선구적 시도였다. 다만 같은 실험은 예상했던 TF가 아니라 HT 형태로 삼중수소가 주로 회수된다는 뜻밖의 결과도 함께 보고하며, 용융염 속 삼중수소 거동이 예상보다 복잡해 추가 연구가 필요하다고 짚었다 (arXiv:2412.02721). 후속인 BABY 1L은 증식체 부피를 열 배로 키워 측정 신뢰도를 높이고 측정값과 OpenMC 중성자 계산이 잘 들어맞음을 보였다 (arXiv:2509.26174). 다만 삼중수소는 한 번 통과로 다 타지 않는다 — 한 번 지날 때 연소되는 비율(burn fraction)이 작다는 것이 핵융합 에너지의 핵심 쟁점이다. 손쓸 여지는 있다. 한 분석은 플라스마의 삼중수소 분율을 절반 아래로 낮추면 연소율이 그에 반비례해 올라가고, 연소율을 두 배로 만드는 대가는 요구 가둠 성능(nTτ_E)의 4/3배에 그친다고 계산했다. 정작 연구가 덜 된 것은 삼중수소·알파입자의 가둠 시간이 에너지 가둠 시간과 어떤 비율이냐는 문제라고 짚는다 (arXiv:2106.01304). ARC급 발전소의 삼중수소 연료 순환을 다단계 충실도로 모델링한 연구도 이 문제의 복잡성을 보여준다 (arXiv:2603.25751).
DT 융합이 내놓는 14메가전자볼트 중성자는 에너지 운반체이자 동시에 골칫거리다. 이 강력한 중성자가 끊임없이 벽과 자석을 때린다. 부상형 쌍극자 발전소 연구는 초전도 코일의 일부를 '희생' 구간으로 두어 중성자 손상 수명이 약 1년에 불과한 부분을 빠르게 교체·재생하는 설계로 이 문제에 대응했다 (arXiv:2602.20564). 토카막에서는 디스럽션(plasma disruption) 때 생기는 폭주 전자(runaway electron) 빔이 벽을 녹일 수 있어, SPARC의 텅스텐 플라스마 대면 부품이 폭주 전자 충돌로 받는 열손상을 분석한 연구처럼 보호 설계가 필수다 (arXiv:2603.03893).
안전·확산 측면의 그림자도 있다. 한 연구는 ARC급 발전소의 막대한 중성자(초당 10²⁰개 이상)가 우라늄·토륨 같은 물질에서 핵무기급 핵분열 물질을 6개월 내에 증식할 수 있는 잠재적 확산 위험을 지적하며, 리튬-6 농축이 이를 완화하는 수단이 될 수 있다고 분석했다 (arXiv:2404.12451). 핵융합도 책임 있는 설계가 필요하다는 뜻이다.
주류인 토카막·레이저 ICF 말고도 다양한 접근이 시도된다. 원심 거울(centrifugal mirror) 장치는 회전으로 가둠을 개선하는데, 메릴랜드대의 CMFX는 처음으로 중성자 측정을 통해 융합 수율을 평가하고 약 1.9×10¹⁷ m⁻³·keV·s의 삼중곱을 추정했다 (arXiv:2505.23047). 제너럴 퓨전(General Fusion)의 자기 압축 실험은 자기 표적 융합을 위해 컴팩트 토러스를 자기장으로 띄우고 압축하는 방식을 연구했다 (arXiv:1907.10307). 미국 ARPA-E의 ALPHA 프로그램은 저비용 융합 경로를 촉진하기 위해 펄스형·중간밀도 접근(자기관성 융합 등)을 집중 지원했다 (arXiv:1907.09921).
연료를 바꾸려는 시도도 있다. DT 대신 양성자-붕소(p-¹¹B) 같은 '중성자가 거의 안 나오는(aneutronic)' 연료를 쓰면 중성자 문제를 크게 줄일 수 있지만, 훨씬 더 높은 온도가 필요하다. 중국 ENN은 구형 토러스 기반 p-B 융합 로드맵을 제시하며, 중심 온도 150keV·고온 이온 모드 등의 조건에서 Q>10이 가능하다고 봤다 (arXiv:2401.11338). 다만 다른 분석은 p-¹¹B에서 동기복사(synchrotron radiation) 손실을 고려하면 이득이 크게 떨어진다고 지적해 (arXiv:2201.12818), 아네우트로닉 연료가 종이 위 계산만큼 만만치 않음을 함께 보여준다.
그렇다면 이번의 '곧'은 과거의 '30년 후'와 무엇이 다른가.
세 가지가 실제로 달라졌다. 첫째, 데이터다. 표적 기준이긴 해도 과학적 에너지 이득이 처음으로 1을 넘었다는 사실이 기록됐다 (arXiv:2505.03834). 둘째, 부품이다. HTS 자석이 고자기장·소형화의 길을 열어, SPARC·ARC 같은 컴팩트 고자기장 토카막이 종이 위가 아니라 건설 현장으로 내려왔다 (arXiv:2601.12469, arXiv:1809.10555). 셋째, 검증 가능한 공학 진척이다. 삼중수소 증식비가 실험으로 측정되기 시작했고 (arXiv:2509.26174), AI가 실시간 플라스마 제어에 들어오는 등 — 한 연구는 TCV 토카막의 플라스마 평형을 100마이크로초 안에 재구성하는 신경망으로 10킬로헤르츠 형상 제어를 가능케 했고 (arXiv:2606.09487), 모델 예측 제어(MPC)로 토카막 플라스마 형상을 처음 실증한 연구도 나왔다 (arXiv:2506.20096) — 난제들이 추상적 우려에서 구체적 측정·설계 문제로 옮겨 왔다.
그러나 정직하게 말하면, 상용까지는 멀다. 공학적 이득(②)은 아직 어디서도 달성되지 않았고, 삼중수소 자급·중성자 재료 손상·반복률(레이저를 1초에 몇 번 쏘느냐)·열추출 같은 공학 난제가 산적해 있다. 게다가 핵융합이 완성될 즈음 세상이 그것을 얼마나 원할지도 변수다 — 재생에너지 가격이 급락한 상황에서 핵융합의 역할을 재검토한 한 연구는, 자신들이 세운 시나리오 안에서는 연구 과제를 다 풀어도 공학·재료 제약이 발전소 특성을 크게 좌우할 것이며, 핵융합을 개발할 동기는 분명하되 정작 그것이 등장할 무렵엔 그 동기가 약해져 있을 수 있다고 짚었다. 동시에 시장에 진입하려면 폐기물 설계 기준·원자재 제약·부하추종(펄스) 운전을 설계 단계에서 고려하라고 권했다 (arXiv:2101.05727). 초기 시장과 비용 목표를 분석한 연구는 핵융합 개발자가 우선 고가 전력 시장을 겨냥하고 통합 열저장을 함께 갖출 것을 권했고, 공정열·수소 같은 시장은 균등화발전비용(LCOE)이 MWh당 50달러 아래로 내려가야 비로소 열릴 수 있다고 봤다 (arXiv:2101.09150).
핵융합은 더 이상 '영원히 30년 후'의 농담만은 아니다. 과학적 점화라는 문턱을 넘었고, 새 자석이 길을 바꿨으며, 공학 난제들이 측정 가능한 문제가 됐다. 그러나 '표적 이득'과 '공학적 이득' 사이의 거리, 그리고 그 시설을 매일 돌아가는 발전소로 바꾸는 거리는 아직 정직하게 멀다. 달라진 것은 도착 시점이 아니라, 이번엔 지도가 더 또렷하다는 점이다.
이 글은 과학 정보 제공을 위한 것이며, 인용한 근거의 대부분은 동료심사 전 프리프린트(arXiv)입니다. 추후 후속 연구로 세부 내용이 갱신될 수 있습니다.
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