2025 에너지 공학 탐구 동아리 탐구과제 보고서

다양한 핵융합반응로의 특성 조사 및

각 장단점 탐구

저자

김동하 ․ 박지훈

현대청운고등학교

2025년 10월 19일

목차

[서론]

1.1 탐구 동기 및 목적

1.2 탐구를 통한 가치 창출

[본론]

2.1 이론의 기초적 원리

2.2 자기가둠 융합이란

2.3 토크마크 구조 소개 및 원리

2.3.2 토크마크의 장단점 및 한계와 발전가능성

2.4.1 stellartor 구조 소개 및 원리

2.4.2 stellartor 장단점 및 한계와 발전가능성

2.5 관성가둠 융합이란

2.6 직접구동방식, 간접구동방식충격점화방식 소개 및 각 장단점

2.7 현재 발전 전망(p.143)

[결론]

3.1 전체 정리 및 결과

3.2 미래에는 어떤 에너지가 발전할 것이며 핵융합은 어떤 방향으로 발전할것인가?

서론

1.1 탐구동기 및 목적

21세기 인류는 기후 변화와 에너지 고갈이라는 이중적 위기에 직면하고 있다. 화석연료의 과다 사용은 탄소 배출과 기후 위기를 심화시키고 있으며, 재생에너지의 빠른 성장에도 불구하고 간헐성과 저장 효율 문제로 인해 에너지 공급의 안정성이 완전히 확보되지 않고 있다. 예를 들어 풍력 및 태양에너지는 요즘 빠르게 성장하는 추세이지만 날씨에 따른 높은 변동성을 가지고 있어 에너지고공급의 불안전성을 초래한다는 문제를 가지고 있다. 이러한 한계 속에서 ‘핵융합(fusion)’은 태양이 에너지를 생산하는 근본 원리를 지상에서 구현하려는 시도로, 지속 가능한 청정에너지의 궁극적 형태로 주목받고 있다.

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵종을 형성하면서 질량의 일부가 에너지로 전환되는 반응이다. 특히 수소의 동위원소인 중수소(D) 와 삼중수소(T) 가 결합할 때 방출되는 에너지는 단위 질량당 약 7.5×1014 𝐽/𝑘𝑔에 달하며, 이는 석탄이나 석유에 비해 수백만 배 높은 값이다. 이러한 높은 에너지 밀도와 온실가스 배출이 없는 특성 덕분에, 핵융합은 탄소중립 시대의 핵심 기술로 평가받고 있다.

본 탐구의 목적은 핵융합 반응의 물리적 원리를 이해하고, 이를 실현하기 위한 두 가지 주요 접근 방식인 자기가둠 융합(Magnetic Confinement Fusion, MCF)과 관성가둠 융합(Inertial Confinement Fusion, ICF) 의 구조적·기술적 차이를 분석하며 각 장단점을 탐구하는 것이다.

1.2 탐구를 통한 가치 창출

핵융합 연구는 단순한 과학적 호기심의 대상이 아니다. 접근하기 쉽지 않을뿐더러 물리학·재료공학·전기전자공학 등 다양한 학문이 결합된 종합 과학의 결정체이다. 플라즈마의 거동을 이해하고, 이를 안정적으로 제어하는 기술을 습득하는 과정은 향후 발전을 위한 미래 에너지 연구뿐 아니라 우주공학, 핵물리학, 제어공학 등 여러 분야로 확장될 수 있는 학문적 가치를 지닌다.

본 탐구는 고등학생 수준에서 복잡한 핵융합 기술을 단순히 탐구하고 정리하는 데 그치지 않으며, 각 가둠방식의 물리적 기초와 한계 요인을 과학적으로 분석함으로써, “지속 가능한 에너지의 과학적 기반”을 스스로 설계하는것에 의미를 둔다. 또한 핵융합 상용화의 어려움을 이해함으로써, 과학이 단지 이론이 아니라 사회적 문제 해결의 실질적 도구로 작동할 수 있음을 탐색하며 우리나라의 미래발전을 위한 탐구적인 가치를 가지고 있다.

2.본론

2.1 이론의 기초적 원리

핵융합은 서론에 얘기한 것처럼 두 원자핵을 결합하는 단순한 형태가 아니라 여럿 주요물리원리가 복합적으로 작용하여 이루어지는 복잡한 형태이다. 이 절에서는 이 근본원리들을 항목별로 정리하고자 한다.

1.플라즈마 상태: 핵융합 반응은 물질이 플라즈마 상태에 도달해야 가능하다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이은 물질의 네 번째 상태로, 원자가 전자를 잃어 자유전자와 양이온이 뒤섞인 이온화 상태를 말한다. 이 상태에서는 전기적 전도성이 매우 높아지고, 외부 자기장에 민감하게 반응한다. 핵융합로에서는 약 1억 K 이상의 초고온에서 수소 동위원소가 플라즈마 상태로 유지된다. 플라즈마는 전기적으로 중성이지만, 전하를 띤 입자들이 존재하므로 전자기력의 영향을 크게 받는다. 이 때문에 플라즈마를 안정적으로 가두기 위해서는 강력한 자기장 또는 순간적인 압축이 필요하다 — 이 원리가 자기가둠(MCF)과 관성가둠(ICF) 기술의 기반이 된다.

2. 쿨룽장벽: 핵융합의 가장 큰 물리적 장애물은 같은 양전하를 띤 원자핵 사이의 전기적 반발력, 즉 쿨롱 장벽이며 핵융합에서도 이것을 뛰어넘느냐 아니냐가 중요하다. 두 핵이 가까워질수록 반발력이 급격히 증가하여, 서로 접근하기 위해서는 막대한 운동 에너지가 필요하다.

고전적으로 계산하면, 약 1억 K 이상의 온도가 되어야 쿨룽장벽을 넘어 핵융합 반응이 일어난다. 이 때문에 플라즈마를 극도로 가열하는 것이 핵융합의 핵심 과제 중 하나이다.

3. 양자터널링 효과: 실제 핵융합은 고전적인 계산보다 낮은 온도에서도 일어난다. 원자핵이 입자이면서 동시에 파동의 성질을 가진다는 양자역학적 특성 때문이다. 입자의 파동 함수는 일정 확률로 에너지 장벽을 통과할 수 있으며, 이를 양자 터널링 효과라고 한다.

즉, 원자핵이 충분한 에너지를 갖지 않아도, 파동의 확률적 존재 영역이 장벽을 “뚫고” 반응이 일어날 수 있다.

4. 질량에너지등가 이론: 핵융합 반응에서 생성된 입자의 질량 합은 반응 전의 질량 합보다 약간 작다.

이 질량 결손(Δm) 이 바로 아인슈타인의 등가식 𝐸=𝑚𝑐[eqn: {}^{2}] 에 의해 막대한 에너지로 전환된다.

예를 들어, 중수소(D)와 삼중수소(T)가 반응하여 헬륨-4와 중성자를 만들면, 약 17.6 MeV의 에너지가 방출된다. 따라서 질량의 극히 일부만 변환되어도 엄청난 에너지를 얻을 수 있다.

그림1.질량에너지 등가이론

2.2 자기가둠 융합(MCF)이란

자기가둠 융합은 강력한 자기장(magnetic field) 으로 고온의 플라즈마(plasma) 를 가두어

반응기 벽과의 접촉을 막는 방식이다. 기본적인 원리는 수소동위원소를 높은 온도조건까지 끌어올려 플라즈마 상태를 만들고 이로 인해 발생하는 충돌들이 입자간 결합 및 에너지 방출을 유도하는 것이다.

플라즈마는 전하를 띤 입자들의 집합체이기 때문에 자기장에 따라 나선형으로 움직이며, 적절한 자기장 구조를 형성하면 입자들이 닫힌 궤도를 따라 순환하면서 안정적으로 머무를 수 있다. MCF의 목표는 Lawson 조건을 만족시켜 자가유지 핵융합을 이루는 것이다. 이를 위해 세 가지 과정이 필요하다.

1. 플라즈마 가열: 유도전류(ohmic), 중성입자 주입(NBI), 고주파(RF) 등의 방식으로 온도를 약 1억 K 이상으로 높인다.

2. 자기장 형성: 토로이달(toroidal) 자기장과 폴로이달(poloidal) 자기장을 결합해 닫힌 자기 표면을 만든다.

3. 안정성 제어: 자기장 교란이나 플라즈마 붕괴를 방지하기 위해 실시간 제어와 피드백 시스템을 사용한다.

이제부터 이 ‘자기가둠융합‘을 이용한 여러 예시를 알아보고자 한다.

2.3.1 Tokamak 구조 및 원리

Tokamak(토카막) 은 현재까지 가장 활발하게 연구되고 있는 자기가둠 핵융합 장치이다. 구조적으로는 도넛 형태의 토러스(torus)형 챔버 안에 플라즈마를 가두며, 두 종류의 자기장이 결합하여 안정적인 가둠을 이룬다.

토로이달 자기장: 반응기 외부에 설치된 초전도 코일에 의해 생성된다.

폴로이달 자기장: 플라즈마 내부를 따라 흐르는 유도전류에 의해 생성된다.

이 두 자기장이 결합하면 닫힌 자기 표면이 형성되어, 플라즈마가 벽에 닿지 않고 도넛형 궤도를 따라 순환한다. 가열 방식으로는 유도전류 가열, 중성입자 주입(NBI), 고주파 가열 등이 있다. 최근에는 고온 초전도체(HTS) 를 이용해 더 강력하고 안정적인 자기장을 생성할 수 있게 되었다

핵융합

.Tokamak의 장점은 높은 플라즈마 온도와 밀도를 안정적으로 유지할 수 있다는 점이지만, 단점으로는 플라즈마 붕괴(disruption) 나 ELMs(Edge Localized Modes) 같은 불안정 현상이 발생하기 쉽다는 점이 있다. 이를 해결하기 위해 인공지능 기반의 자기장 제어, 고속 진단 장비, 내열 벽재(PFC) 개발 등의 기술이 연구되고 있다. 현재 영국의 ’JET‘와 한국의 ’KSTAR‘, 프랑스의 국제 공동 프로젝트 ’ITER‘가 대표적 Tokamak 실험장치이며, 이들은 Lawson 조건 달성과 연속 운전을 목표로 연구 중이다.

2.3.2 토크마크의 장단점 및 한계 및 발전가능성

Tokamak의 가장 큰 장점은 높은 가둠 효율과 비교적 단순한 구조이다. 내부 전류를 이용해 자기장을 보조하기 때문에, 같은 크기의 장치에서도 높은 플라즈마 밀도와 온도를 얻을 수 있다. 또한 구조가 대칭적이어서 실험 제어와 진단이 용이하다.

하지만 한계도 명확하다. 내부 전류에 의존하기 때문에 플라즈마 붕괴(disruption) 나 ELM(Edge Localized Mode) 과 같은 불안정 현상이 자주 발생한다. 삼중수소 연료 관리 및 내벽 손상 문제도 해결해야 할 과제이다. 장치의 냉각과 유지에 필요한 에너지 소비가 크다는 점도 단점으로 꼽힌다.

최근에는 이러한 한계를 극복하기 위해 고온 초전도 자석(HTS), AI 기반 실시간 제어,

내열 합금 소재 개발 등의 기술이 연구되고 있다. 이러한 발전이 계속해서 이루어진다면, Tokamak는 가장 많은 실험 경험과 기술 기반을 가진 핵융합 장치로써 상업용 핵융합로 실현에 가장 근접한 형태로 평가받을 것이다.

ITER와 KSTAR를 중심으로 초전도 자석, AI 제어, 내열 신소재 기술이 발전하면서 보다 안정적이고 효율적인 운전이 가능해지고 있다. 향후에는 소형화된 상용 핵융합 발전소로 진화할 가능성이 높다.

2.4.1 stellartor 구조 소개 및 원리

Stellarator(스텔러레이터)는 플라즈마 내부 전류 없이 외부 자기장만으로 플라즈마를 가두는 자기가둠 핵융합 장치이다. Tokamak과 마찬가지로 도넛 모양의 토러스형 챔버를 사용하지만, 자기장 형성 방식이 근본적으로 다르다. Stellarator는 여러 개의 비틀린 3차원 초전도 코일(helical coils)을 정교하게 배치하여 토로이달 자기장과 폴로이달 자기장을 동시에 만들어낸다. 즉, Tokamak처럼 내부 전류로 자기장을 생성하지 않아도 입자들이 나선형으로 회전하며 닫힌 궤도를 유지할 수 있다.

이러한 구조 덕분에 플라즈마 전류 불안정성(current-driven instability) 이 원천적으로 억제되고, 장시간의 연속 운전(steady-state operation) 이 가능하다. 대표적인 실험 장치로는 독일 막스플랑크 플라즈마 연구소의 Wendelstein 7-X (W7-X) 가 있으며, 30분 이상의 안정된 플라즈마 운전에 성공하여 상업용 핵융합로 실현 가능성을 높였다.

2.4.2 stellartor 장단점 및 한계와 발전가능성

Stellarator의 가장 큰 장점은 자기적 안정성과 장시간 운전 능력이다. 플라즈마 내부 전류가 없기에 Tokamak에서 발생하는 붕괴나 ELM 현상이 거의 나타나지 않는다. 또한 구조적으로 전류 구동이 필요 없으므로, 지속적인 전류 유지 장치나 고주파 구동 장치가 불필요해 에너지 손실이 적다. 하지만 단점도 뚜렷하다. 복잡한 3차원 코일 구조로 인해 설계와 제작 난이도가 매우 높고, 코일 정렬 오차가 수 밀리미터만 되어도 플라즈마의 안정성이 크게 저하된다. 또한 구조의 복잡성 때문에 유지보수와 내부 진단이 어렵다. 최근에는 3D 프린팅, 고온 초전도 자석(HTS), 정밀자기 시뮬레이션 기술이 발전하면서 이러한 문제를 점차 극복하고 있다.

특히 W7-X를 비롯해, 프랑스의 Renaissance Fusion과 미국의 Type One Energy 같은 민간 기업들도 소형 고효율 Stellarator 개발에 도전하고 있다.

결론적으로, Stellarator는 Tokamak보다 복잡하지만 장시간 안정 운전이 가능하다는 결정적 장점 덕분에 향후 상업용 핵융합 발전로의 또 다른 유력한 후보로 평가받고 있다.

결과적으로 Stellarator는 플라즈마 내부 전류가 필요 없어 장시간 안정 운전에 유리하며, Tokamak의 불안정성을 보완할 차세대 핵융합 장치로 주목받고 있다. Wendelstein 7-X를 비롯한 연구 성과와 함께 3D 프린팅·초전도체 기술이 발전하면서 구조적 복잡성이 점차 해결되고 있다. 향후에는 안정적이고 유지비가 적은 핵융합로로 발전할 가능성이 크다.

2.5 관성가둠 융합이란

관성가둠 핵융합(ICF)은 소형의 핵융합 연료 펠릿을 외부 에너지원으로 급격히 압축·가열하여 핵융합 반응을 유도하는 방식이다. 일반적으로 중수소(D)와 삼중수소(T) 혼합 연료를 담은 직경 수밀리미터 수준의 구형 캡슐에 고출력 레이저 펄스나 입자빔을 조사한다. 에너지가 캡슐 표면을 순간적으로 증발시켜 플라즈마를 형성하면, 발산하는 물질이 팽창하는 로켓 효과에 의해 펠릿 내부로 충격파가 전달된다. 충격파가 펠릿을 중심으로 압축하여 연료의 밀도와 온도를 극도로 높이고, 짧은 시간(나노초 단위) 동안 연료 자체의 관성으로 핵융합 생성된 플라즈마를 가둔다. 이러한 압축·가열 과정을 통해 연료의 밀도와 체류시간 등의 곱이 Lawson 조건을 만족할 때 핵융합 반응이 시작될 수 있다.

연료가 고밀도로 압축되면 핵융합 반응의 확률이 비약적으로 증가한다. 예를 들어, 액체 상태의 연료 펠릿(지름≈1mm)을 0.1mm까지 압축하면 연료 밀도는 물보다 약 1000배(≈1000g/㎤) 이상 높아지며, 이때 밀도와 체류시간의 곱인 fusion triple product이 Lawson 기준을 초과하면 점화가 유도된다. 압축된 연료의 중앙부를 직접 가열하지 않더라도, 그 중심에서 발생한 융합 생성 α-입자는 매우 짧은 거리 내에서 주변 연료를 가열하며 연쇄적인 ‘전파성 연소(propagating burn)’를 일으킨다. 이 과정에서는 핵융합 연료의 일부만을 점화시켜도 α-입자 열전달에 의해 주변으로 연소가 퍼져나가며 연료 전반의 융합이 가능해진다.
한편, 펠릿 압축 과정에서는 플라즈마–고체 계면에서 리히트마이어-메쉬코프(RM) 불안정과 레일리–테일러(RT) 불안정이 동시 발생하여 압축의 균질성을 저해할 수 있다. 특히 고밀도로 가속되는 얇은 캡슐 층은 RT 불안정에 취약하여 작은 표면 요철이 증폭되기 때문에 펠릿의 초기 결함이나 빔 균일도가 실험 성능에 큰 영향을 미친다. 이러한 불안정 효과는 ICF 설계에서 주요 고려사항으로, 압축 안정성을 개선하기 위한 펄스 형상 설계와 정밀한 캡슐 제조 기술이 요구된다/

2.6 직접구동방식, 간접구동방식, 충격점화방식 소개 및 각 장단점

직접구동 방식은 레이저나 입자빔을 연료 캡슐 표면에 직접 조사하여 추진효과로 내부를 압축하는 방식이다. 이 경우 전면 조사된 캡슐이 균일하게 증발하고 implosion해야 한다. 즉, 압축 과정에서 레일리–테일러 불안정 등으로 인한 비대칭이 없어야 하기 때문에 조사 광구의 균질성 및 캡슐의 구면도가 매우 중요하다. 예컨대 1MJ급 입력 에너지로 실험할 때는 펠릿 직경을 약 2mm 이하로 제한해야 실용적인 수준의 대칭 압축이 가능하다는 계산이 있다. 직접구동은 에너지 전달 효율이 상대적으로 높다는 장점이 있으나, 레이저 빔의 초점 조절과 모든 방향에서의 균일 조사가 기술적으로 까다로우며, 불안정 증폭에 매우 민감하다는 단점이 있다.
반면, 간접구동 방식은 레이저 빔을 메탈제 실린더(호흘룸) 내부벽에 조사하여 발생하는 X-선을 이용해 캡슐을 간접 가열하는 방식이다. 즉, 레이저 에너지를 호흘룸에 흡수시켜 내부를 X-선으로 ‘폭탄효과(bath of X-rays)’처럼 채운 뒤 펠릿을 방사선으로 압축한다. 이 방식의 장점은 조사 빔을 비교적 큰 빔직경으로 보다 덜 정확하게 쏠 수 있어 펠릿 위치 및 균일성 확보가 쉬우며, 레이저 융합 시설의 대형화를 용이하게 한다는 점이다. 하지만 많은 레이저 에너지가 호흘룸 가열 자체에 사용되므로 시스템 전체의 에너지 효율은 직접구동에 비해 낮다.
직접·간접 구동과는 다르게, 충격점화(shock ignition) 방식에서는 연료를 먼저 압축한 뒤 마지막 순간에 추가적인 강력한 충격펄스를 가하여 점화를 유도한다. 초기에 다단계 펄스를 이용해 펠릿을 저(低)아디아바타트(low-adiabat)로 압축한 후, 짧고 강한 충격파(레이저 또는 전자빔)를 펠릿에 쏘아 중앙부로부터 매우 높은 압력의 충격을 전달한다. 이때 압축과 점화 과정을 분리하여 각각 최적화함으로써, 초기 압축 시 요구되는 압축비를 낮추고 에너지 사용을 효율화할 수 있다. 일부 실험적 및 이론적 연구에 따르면, 충격점화는 고출력 펄스만을 통해 점화 조건을 강화하여 점화 임계치를 낮출 수 있음이 확인되었다. 예를 들어 미국 로체스터대의 OMEGA 레이저 실험에서도 충격점화 기법을 적용하여 점화 효율이 향상됨이 보고되었다.

2.7 현재 발전 전망

최근 ICF 연구에서는 눈에 띄는 실험적 진전이 이뤄지고 있다. 특히 미국 LLNL의 국가점화시설(NIF)에서 2022년 12월 실시된 실험은 “타깃 이득” 기준(융합 출력 에너지가 레이저 입력 에너지보다 클 것)을 달성한 것으로 보고되었다. 이 실험에서 NIF는 2.05MJ의 레이저 에너지를 가한 결과 약 3.15MJ의 융합 에너지를 얻었으며, 이는 핵융합 장치 역사상 최초로 과학적 손익분기(energy gain > 1)를 넘긴 순간이었다. 이어서 2023년과 2024년에도 NIF에서 반복적으로 점화 상태의 플라즈마가 생성되었으며, 2024년 2월 실험에서는 2.2MJ의 레이저 입력에 5.2MJ의 출력을 기록하는 등 출력 및 점화 신뢰도가 꾸준히 향상되고 있다. 이런 성과는 학계에서도 "점화된 플라즈마(burning plasma)가 반복적으로 생성되었다”는 평가를 받으며 ICF의 과학적 타당성을 입증하고 있다.
ICF 기술은 미국 NIF 외에도 프랑스 LMJ, 중국 생광(Shenguang)-III, 일본 GEKKO 등 여러 국가에서 대형레이저 실험 시설을 가동하거나 개발 중이다. 예를 들어, 프랑스 원자력위원회(CEA)는 2014년부터 240개 레이저 빔으로 최대 1.8MJ 펄스(여러 나노초)를 발생시킬 수 있는 레이저 메가줄(LMJ)을 운영해왔으며, 중국의 SHENGUANG-II/III 레이저 시설도 ICF 실험을 위한 능력을 확장하고 있다.
그럼에도 불구하고 실용적 핵융합 에너지 이용을 위해서는 여전히 해결해야 할 기술적 과제들이 많다. 우선, 앞서 설명한 하이드로 불안정(특히 레일리–테일러 불안정)의 영향으로 캡슐 표면의 미세 결함이나 구면도 오차가 수율에 큰 영향을 미친다. 실제로 NIF에서는 지름 약 2mm의 연료 캡슐을 사용하고 있는데, 표면에 미세한 결함만 있어도 점화에 실패할 수 있어 고도의 캡슐 제조·측정 기술이 필요하다. 또한, ICF를 전력 생산에 활용하려면 초당 수회 이상의 높은 속도로 타깃 펠릿을 연속 공급하고 정밀하게 배치해야 한다. 예컨대 IFE(관성융합에너지) 발전소 설계에서는 펠릿을 매일 수십만 개씩(1초에 약 5~10개) 주입해야 하며, 이때 펠릿 표면의 박막 DT 연료층을 극저온(≈18K)으로 유지한 채 정확하게 충돌점으로 운반해야 한다. 현재 실험용 타깃의 제작 비용은 개당 약 $2500에 달하지만, 상업용 발전을 위해서는 개당 약 $0.25로 약 10^4배 이상 비용을 절감해야 하는 것으로 분석된다. 이처럼 타깃 제작·주입 비용과 에너지 효율의 문제는 핵심적인 난제로 남아 있다.
DOE(미 에너지부)에서도 최근 ICF 성과를 ‘과학적 타당성의 증명’으로 평가하면서도 “남아 있는 과학적·기술적 과제”해결의 필요성을 강조하고 있다. DOE는 2023년 5월 점화 성과를 계기로 관성융합에너지(IFE) 연구지원 프로그램을 시작하여 장기적으로 핵융합 기술을 에너지 포트폴리오에 포함시킬 계획을 발표했다. 세계적으로는 여전히 연구개발 단계지만, 2050년경 급증할 것으로 예상되는 전력 수요와 탄소배출 감축 요구 속에서 핵융합은 청정하고 안전한 미래 에너지원으로서 큰 기대를 받고 있다.

3. 결론

3.1 전체 정리 및 결과

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합해 무거운 원자핵을 형성하면서 막대한 에너지를 내는 반응이다. 이때 핵끼리 서로 밀어내는 쿨롱 장벽을 극복해야 하는데, 약 1억 ℃ 이상의 초고온 상태인 플라즈마(고온의 전리된 가스) 안에서 양자 터널링 효과 덕분에 입자들이 높은 확률로 에너지 장벽을 넘을 수 있어 핵융합이 가능해진다. 플라즈마는 양전하(원자핵)와 음전하(전자)가 같은 수로 존재하는 매우 뜨거운 가스를 뜻한다. 아인슈타인의 질량-에너지 등가이론(E=mc²)으로 설명되는 질량 결손 에너지가 방출되어, 핵융합은 단위 질량당 기존 에너지에 비해 훨씬 많은 에너지를 얻을 수 있다.
핵융합에는 크게 자기가둠 융합(MCF)과 관성 가둠 융합(ICF) 두 방식이 있다. 자기가둠 방식은 강한 자기장을 이용해 플라즈마를 가두는 방법으로, 대표적으로 토카막(Tokamak)과 스텔러레이터(Stellarator) 장치가 있다. 토카막은 도넛 형태의 챔버 안에서 토로이달(toroidal) 자기장과 플라즈마 내부 전류가 만드는 폴로이달(poloidal) 자기장을 결합해 플라즈마를 안정적으로 가둔다. 스텔러레이터는 내부 전류 없이 외부 코일만으로 복잡한 3D 자기장을 만들어 플라즈마를 가두는데, 구조가 복잡하지만 고전류에 의한 불안정성이 적어 연속 운전이 가능한 장점이 있다. 반면 관성 가둠 융합(ICF)은 초고출력 레이저나 입자빔으로 연료 펠릿을 순간적으로 매우 강하게 압축해 융합을 유도하는 방식이다. 2022년 미국의 NIF(국립점화시설)에서는 2.05MJ의 레이저 에너지로 3.15MJ의 융합에너지를 얻어 자가 점화(에너지 이득 Q>1)를 기록하기도 했다.
핵융합이 자발적으로 지속되려면 플라즈마의 밀도(n), 온도(T), 가둠 시간(τ)이 충분히 높아야 하며, 이 세 요소의 곱이 일정 기준을 넘는 로슨 조건을 만족해야 한다. 즉, 매우 높은 온도의 플라즈마를 오랜 시간 안정적으로 유지하고 열손실을 최소화하는 기술이 핵융합 발전의 핵심 과제이다.

3.2 미래에는 어떤 에너지가 발전할 것이며 핵융합은 어떤 방향으로 발전할 것인가?

전 세계적으로 핵융합 기술은 국제 협력과 다양한 개발 경로를 통해 빠르게 발전하고 있다. 토카막 방식에서는 프랑스의 ITER 프로젝트가 대표적이며, 한국의 KSTAR, EU와 일본 등의 DEMO 프로젝트 등이 잇달아 진행되고 있다. 특히 1997년 영국 JET 실험로가 16MW 융합출력을 달성했고, 2007년 착공된 ITER는 최종 Q=10 달성을 목표로 하는 등, 상업용 핵융합로 실현을 위한 기술 검증이 활발히 이뤄지고 있다. 한국 KSTAR도 2023년에 30초 이상의 고성능 플라즈마 유지에 성공하면서 장시간 운전 기술 발전에 기여하고 있다. ICF 분야에서는 미국 LLNL의 NIF가 2022년 최초로 에너지 손실을 넘어서는 성과를 내어 큰 주목을 받았으며, 영국, 독일 등에서도 소형발사체 압축(First Light Fusion)이나 중성자 배출이 적은 새로운 연료(Marvel Fusion) 등 혁신적 방법이 연구되고 있다.
민간 기업들의 참여도 눈에 띈다. 미국 MIT와 Commonwealth Fusion Systems(CFS)는 고온초전도(HTS) 자석을 이용해 장치를 소형화한 ARC (Affordable, Robust, Compact) 융합로를 개발 중이며, 영국의 Tokamak Energy는 구형 토카막, 독일의 Wendelstein 7‑X는 스텔러레이터 기술을, 프랑스의 Renaissance Fusion과 미국의 Type One Energy 같은 스타트업은 첨단 스텔러레이터 설계로 상업화를 추진 중이다. 이들 기술들은 기존보다 장치 구조를 단순화하거나 높은 자기장을 구현해 소형화와 상업화 가능성을 높이는 데 초점을 맞추고 있다. 또한, 캐나다 General Fusion이나 미국 Helion Energy 같은 기업은 액체 금속 벽과 기계적 피스톤, 자기장 펄스를 조합한 Magnetized Target Fusion(MTF) 방식으로 차세대 반복 운전형 핵융합로를 연구하고 있어, 새로운 상업용 모델로 주목받고 있다.
이처럼 세계 각국과 기업들이 서로 협력하고 경쟁하면서 핵융합은 점차 실용적 에너지원으로 다가서고 있다. 아직 초고온 플라즈마 안정화, 재료 내구성 확보, 연료(삼중수소) 자체 생산 등 기술적 과제가 남아 있지만, 최근의 성과들은 상업화 가능성을 크게 높여주고 있다. 온실가스를 배출하지 않는 무한에 가까운 연료와 막대한 에너지 생산 잠재력으로 미루어볼 때, 핵융합은 머지않은 미래에 청정하고 안전한 미래 에너지원으로 자리매김할 것으로 기대된다.

4. 참고문헌

양정훈,2019. [ Tearing Modes during Tokamak Plasma Current Ramp Up ]

공종대,홍성록,황인성,김양수,엄대영 2009.7 [ KSTAR 대전력 설비 현황 및 운전결과 분석 ]

https://www.greened.kr/news/articleView.html?idxno=331943

[지금해외는] 유럽 최초 상업용 핵융합 에너지 발전소 건설된다

박진아 기자

https://www.newsis.com/view/NISX20250806_0003280796

韓 연구진, '플라즈마 다중 스케일 연계 현상' 입증…핵융합 신기술 단초 될까