핵융합 발전

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1. 개요2. 논의

2.1. 상용화 시점2.2. 이득계수 및 경제성2.3. 연료별 양 및 가격2.4. 폭발 위험 없음2.5. 수소 누출확률 낮음2.6. 고준위 방폐물 없음2.7. 인류의 에너지 사용량 논의2.8. 옹호-비판 주장-기사

2.8.1. 2000년대2.8.2. 2010년대2.8.3. 2020년대

3. 발전용 핵융합 연구

3.1. 자기장 가둠

3.1.1. 토카막, 스텔러레이터3.1.2. 자기장 거울

3.2. 관성 가둠

3.2.1. 레이저 빔3.2.2. 핀치

3.3. 관성+자기 가둠3.4. 융합-분열 혼성로

4. 관련 기관

4.1. 국내 기관4.2. 민간 기업

5. 둘러보기

1. 개요

核融合發電 / Fusion Power

핵융합을 이용하는 발전 설비로 전력을 생산하는 기술.

2. 논의

2.1. 상용화 시점

인류가 현실적으로 구현 가능한 가장 이상적인 발전 방식으로 평가된다. 지구 온난화를 대처하기 위해 탄소 중립이 필요한데, 발전 분야에서 기존 화력 발전소와 원자력 발전소들을 완전히 대체할 수 있는 발전소 중 하나이기 때문.[1][2]

상용화에 이를만큼 기술의 완성도가 도달하는 '시점'에 대한 논란이 있다. 뭉뚱그려 낙관/비관되곤 하지만, 기술별로 상용화 시점이 나뉜다. '자기장 가둠' 방식의 경우 2025년까지 플라즈마의 전 거동을 파악하기 위해 300초(5분) 가동, 2035년 실증로 건설, 2050년 상용화 등을 목표한다. '관성 가둠' 방식의 경우 2022년 에너지 순 생산에 성공했다. '관성+자기 가둠' 방식은 글로벌 대기업들의 투자를 받으며 2025년 실증로 건설 예정이다. 따라서 되도록 본 문서 하단 각 기술별로 서술한다.

파일:800px-U.S._historical_fusion_budget_vs._1976_ERDA_plan.png

1976년 핵융합 투자계획(시나리오들) 대비 2012년까지 실제 미국의 투자금액(검은실선)

생각보다 낮은 예산이 상용화를 늦췄다는 비판적 의견이 있다. 1976년, 미국 에너지부의 핵융합 투자계획 보고서에 따르면 늦어도 2000년대 중반까지, 최대 규모의 예산이 투입되면 1990년대까지 핵융합 연구가 완성되리라 전망했다. 하지만 실제론 인플레이션을 고려해도 미국은 1980년대 이후 2012년까지 1976년보다 낮은 연방예산을 투자했다. 이는 우주 경쟁 이후 예산이 대폭 줄어든 NASA에 비해서도 투자금이 적다. 또한 이는 재생 에너지나 AI, 심지어 화석 연료 분야에 투자한 금액보다 적은 금액이다. 예산 외에도 국제 핵융합 실험로(ITER)에서 미국의 소극적 참여[3], ITER의 건설부지 확보-협상에만 무려 20년이나 소요된것 등이 지적된다.

2016년, Quora에서 닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐 문제라고 비유했다. #. 해당 내용을 요약하자면 당장 상업성이 없어 투자를 못 받고, 낮은 투자로 상업성 단계까지 성숙하지 못하는 악순환이 반복된다는 얘기다.

2018년, IPCC 특별보고서가 2030년대까지 신속히 탄소 중립을 달성해야 함을 촉구한다. 그런데 자기장 가둠 방식 핵융합 발전은 2040~50년에야 발전량에 유의미한 비율을 차지할 것이므로, 당장 2020~30년대에는 기술이 성숙해 있는 태양광과 풍력 등의 보급에 예산을 할당하자는 주장들이 나온다.[4]

2020년, SPARC 등 고온 초전도체 기술이 계단식으로 발전하여 이를 이용하면 2050년대가 아닌 2020-2030년대 상용화 될 수 있다는 전망이 나온다.

2022년, 미국 의회는 '관성 가둠' 방식이 NIF에서 큰 성공을 거둠에 따라, 핵융합 발전 연구의 예산을 대폭 늘린다. 절반이 NIF의 것이다. # NIF의 시연 성공에 따라 '규모가 크고 오래 걸려 온 자기장 가둠 방식보다, 작고 가시적 성과가 보이는 관성 가둠 방식에 투자해야 한다', '자기장 가둠 방식은 매몰비용이다' 등의 주장들이 나온다. 하지만 기술적 발전은 계단식으로 생기는 것이라 어떤 기술이 언제 상용화될지 알 수 없다.

2.2. 이득계수 및 경제성

알베르트 아인슈타인의 상대성 이론에 따라 수소의 적은 질량결손만으로도 큰 에너지를 내므로, 바닷물 몇 kg으로 수 TJ의 에너지를 낼 수 있으리라는 등의 무책임한 낙관이 있었다. 하지만 인위적 핵융합을 위해선 막대한 에너지가 필요하여, 그보다 나오는 에너지가 많아야 의미가 있다. 이에 따라 융합 에너지 이득계수 (Fusion energy gain factor, Q ratio) (영문위키)라는 개념이 나왔다. 투입에너지 대비 산출에너지 비율을 약자로 Q라고 하며, 1 이상이어야 최소한 의의가 있고, 상업적이려면 22 이상은 되어야 한다.[5]

큰 의미는 없지만 핵융합과 연소를 비교하여 핵융합이 얼마나 어려운지 설명할 수 있다.

핵융합은 나오는 힘이 크지만 들어가는 힘도 큰 것에 반해, 연소는 들어가는 힘이 0에 가깝다.[6]
핵융합 발전소보다, 라이터의 이득계수가 더 높다![7] #
자연의 핵융합로 태양보다, 생물의 발열량이 더 높다![8] #

역사적인 Q값 갱신 기록은 다음과 같다.

1988년, ITER이 Q=10을 목표로 설계되기 시작했다.
1998년, 일본의 JT-60이 달성한 Q=1.25가 한동안 최고 기록이었다. 다만 이는 외삽된 값이다.
2020년, 미국의 MIT가 논문 7편을 연달아 내놓으며 SPARC 계획을 밝힌다. Q=11 이상을 목표하되, 시험로는 Q=5로 건설하겠다고 밝혔다.

2.3. 연료별 양 및 가격

"화석연료는 수십년 내에 고갈되는 반면 수소는 무한하다"는 무책임한 낙관은 틀리다. 첫째로, 경수소만으로는 핵융합 발전을 하지 않는다.[9] 둘째로, 핵융합 발전의 주 연료인 삼중수소와 헬륨3 등이야말로 희귀해서 저렴하게 만들 방법이 연구중이다.[10][11]

로슨 조건

핵융합 반응의 조건	최소 반응 온도	최소 실용화 온도
(D-T) 중수소 - 삼중수소	1.36억 K	5억 K
(D-D) 중수소 - 중수소	1.5억 K	50억 K
(D-³He) 중수소 - 헬륨3	5.8억 K	10억 K
(P-¹¹B) 경수소(양성자) - 붕소11	12.3억 K	30억 K
(P-P) 경수소(양성자) - 경수소(양성자)	400억 K	1조 K

핵융합 반응들의 논의는 다음과 같다.

D-T 반응이 가장 달성하기 쉬워 주로 연구되고 있다. 점화 상태[12]에 이르기 위해서는 로슨 조건(Lawson criterion)이라는 온도와 밀도, 가둠 시간에 대한 특정 값을 만족해야 한다. 이것은 플라즈마의 전자 밀도에 에너지 가둠 시간을 곱한 값(n_eτ_E)과 온도 사이의 관계다. 그래프처럼 D-T 반응이 가장 달성이 쉽다. [13]. 이후 로슨 조건을 발전시킨 Fusion triple product condition이 사용되지만, 기본 개념은 로슨 조건과 비슷하다.
다른 반응들은 투입 에너지가 더 크지만 방사능(중성자) 배출이 적어져 연구된다. D-D와 D-3He는 극미량의 방사능을, P-¹¹B는 방사능을 전혀 배출하지 않는다. 또한 D-3He와 P-¹¹B 둘은 묶어 Aneutronic fusion이라 하며, 하전입자인 반응생성물과 전자기파를 통해 전기를 얻는 직접 에너지 전환(Direct Energy Conversion)이 가능하며 그 효율 또한 매우 높다. D-D 반응은 그 자체로는 생산해낼 수 있는 에너지가 많지 않아서, ³He를 적절히 첨가하여 생산 에너지량을 증가시키는 방향으로 연구되고 있다. 이를 Catalyzed DD 반응 또는 D-³He 반응이라고 한다. D-³He 반응은 필연적으로 D-D 반응도 같이 일어나므로 중성자가 다소 발생한다. 물론 그렇다고 해도 D-T 반응에 비해 그 수준은 훨씬 낮다.
P-P 반응은 연구되지 않는다. 첫째로 경제성이 없다. 반응에 필요한 조건을 달성하기가 극히 어려우며, 설령 달성한다고 해도 반응률이 극히 낮아 산출에너지 총량보다도 더 많은 에너지를 투입해야 한다. 태양 같은 항성 중심부조차 세제곱미터당 수백와트 수준, 도마뱀의 신진대사량 수준의 에너지만 발생한다. 둘째로 구현이 어렵다. 항성 내부는 압력이 매우 높아 400만K로도 가능하지만, 인공으로 만드려면 400억K를 넘는 매우 높은 온도가 필요하다. 또한 경수소의 충돌단면적은 D-T 반응보다 10²⁶배나 작다.

핵융합 연료들의 논의는 다음과 같다.

경수소, 중수소, 붕소11은 지구상에 풍부하며, 방사능이나 화학적 독성도 가지지 않는다. 문제가 되는 것은 다음 두 연료다.
삼중수소 - 1g당 30,000불 가량.[14] 중수로 보유국이라면 수kg씩 있지만, 국제사회가 사용 못 하게 엄격히 통제. 해당 문서 참고.
헬륨3 - 1g당 3,000불 가량.[15] 중수로나 수소폭탄에서 삼중수소의 붕괴로 생산. 해당 문서 참고.

지구상 헬륨에서 차지하는 비중은 고작 2 PPM (0.0002%) 수준이기에 대부분 중수로에서 생산된 삼중수소를 붕괴시켜 생산한다.
D-D 반응을 이용해 헬륨3을 스스로 증식 및 보충하는 것이 가능한 Catalyzed DD 융합로를 개발하는 방안도 연구되고 있다.

2.4. 폭발 위험 없음

흔히 일반인들이 오해하는 것 중 하나가 '원자폭탄(핵분열)보다 수소폭탄(핵융합)이 세니까, 핵분열 발전소보다 핵융합 발전소 사고도 심각할 것이다'다. 하지만 핵융합 발전은 핵분열 발전과 달리 사고 발생 시 문제가 되는 핵물질의 연쇄 반응, 즉 핵폭발과 아무런 관련이 없어 폭발 사고 발생 위험이 전혀 없다.

본격적인 이론에 앞서 쉽게 설명하자면, 핵분열은 이미 불안정한 핵을 이용하며, 도미노와 같은 '연쇄' 반응을 이용한다. 반면에 핵융합은 이미 안정적인 원자핵을 합쳐서 에너지를 얻는 것으로, 연쇄 반응이 아니므로 까다로운 조건을 맞추지 않으면 일어나지 않는다. 그렇기에 핵분열의 경우 잘못 다루면 도미노가 전부 무너지듯 대형사고가 일어나나, 핵융합은 연쇄반응이 아니므로 노심용융 같은 대형사고가 터지지는 않는다. 핵융합 발전 도중 제어에 실패해도 그냥 내부가 차갑게 식을 뿐, 어떠한 위험도 발생하지 않는다.

핵융합 발전은 극소량의 수소를 필요할 때마다 융합로에 조금씩 투입해서 연료를 보충하는 방식으로 이루어지며, 반응로 안에서 핵반응 제어에 문제가 생기더라도 폭발이 일어날 만큼의 연료가 없다.(플라스마의 무게는 고작 1~2g에 불과하며 가스레인지를 6분 가동하는것과 같은 연료량이다) [16] 핵융합 발전에 사용되는 연료인 수소는 매우 엷은 플라스마 상태로 반응로에 가둬지는데, 수소 플라즈마는 고체와는 달리 밀도가 매우 낮아서 부피 당 열에너지 수용량이 지극히 낮다.[17] 이 때문에 제어에 실패해서 플라즈마가 반응로 내벽에 부딪히더라도 반응로가 녹는 참사는 발생하지 않고, 오히려 플라즈마가 식어서 핵반응이 중단되는 것에 그친다. 간단히 말해 핵융합 반응 제어에 실패해도 자기가 알아서 식어버리기 때문에 대형 참사가 발생할 일은 전혀 없다.[18]

만약 핵융합로의 냉각장치가 고장나면 플라즈마는 위에 서술하였듯 그냥 식어버리며, 수십 GJ[19]의 전기에너지가 흐르던 비싼 초전도 전자석이 손상되어 돈은 좀 많이 깨지겠지만[20][21], 핵융합로에 구멍이 뚫리거나 박살이 난다거나 하는 식의 인명피해와 직접 관계되는 참사는 일어나지 않는다.

물론 원자력 발전소의 경우에도 이론적으로는 극미량의 연료로도 핵분열을 일으켜서 열을 얻고, 생성된 방사성 폐기물을 바로 빼서 따로 보관하는 행위를 반복한다면 비교적 안전하게 운전할 수는 있을 것이다. 그러나 당연하게도 이렇게 하면 경제성은 안드로메다로 날아간다. 따라서 현재 원전들의 연료 교체 주기는 그런 경제성을 고려해서 잡는데, 이게 몇 년이나 되다보니 결국 연료 교체 전까지 방사성 폐기물들이 지속적으로 쌓여있을 수 밖에 없으므로 이러한 잠재적인 위험 요소를 완전히 없애는 것은 불가능하다[22].

또한 핵융합 발전은 구조상 화력 발전소 같은 분진폭발 [23]이 일어날 가능성이 원천적으로 없다.
또한 애초에 화력발전소 같은 경우 회전하는 발전기에 전기저항으로 발생하는 열을 식히기 위해 냉각재로 대량의 수소를 쓴다. 핵융합 발전소의 경우 1년에 고작 100kg 정도의 수소만 소모하며 이는 성인이 샤워 등 난방을 위해 베란다에서 물을 데우는 보일러가 소모하는 양보다 적다. 화재 위험을 기존의 발전소랑 비교하는건 넌센스이다.

2.5. 수소 누출확률 낮음

중수소의 누출 - 수소에 불이 붙어 폭발하는게 더 현실적인 사고다.[24] 하지만 고작 수소 50kg만으로 1GW급 발전소를 1년간 운영할 수 있다. 한국에 필요한 모든 전력을 단 한 곳의 핵융합발전소에 몰아서 생산하고 바로 옆에 수소를 몰아서 보관한다 해도, 2020년 기준으로 3톤만 있으면 1년치다. 참고로 길에서 가끔 마주치는 탱크로리에 만재한 LPG가 10톤이다. 즉 한국의 모든 전력을 커버할 수 있는 초대형발전소에서 일어날 수 있는 수소 폭발 사고규모는 고작 현재 운영중인 주유소 화재 수준이다.

삼중수소의 누출 - 수백 g에 불과하기 때문에 누출되더라도 순식간에 무해한 수준 미만으로 희석되어 환경에 미치는 영향은 미미할 것이다. 게다가 삼중수소의 반감기는 12.3년에 불과하며 투과력이 약한 베타선만을 방출하기 때문에 플루토늄-239처럼 24,000년에 달하는 긴 반감기를 갖고 강력한 방사선을 뿜어대는 위험한 방사성 동위원소들에 비하면 위험성은 극히 낮다.[25] 단지 삼중수소가 꽤 비싸기 때문에 금전적인 손실이 크다.

2.6. 고준위 방폐물 없음

"방폐물이 나오므로 핵융합 발전과 핵분열 발전은 다를 바 없다"는 탈원전 단체들의 주장은 옳지 않다.

핵분열 발전은 고준위 방사성 폐기물을 발생시켜서 뒷처리가 크게 문제시 되고 이후로도 주요 구조물들과 부품은 영구 폐기, 격리해야 하는 것과 달리, 핵융합 발전은 고준위 방사성 폐기물 발생이 없고, 나머지 중저준위 방폐물의 발생량도 많지 않다.

핵융합 발전의 경우, 핵분열과 다르다. 원자력 발전소에 사용하는 연료는 저농축 우라늄으로 연료중 실제 핵분열에 참여하는 우라늄은 일부에 불과하다. 우라늄-235의 경우 핵분열이 일어나 연료로 사용되지만 우라늄-238의 경우 중성자와 반응하여 플루토늄 등의 방사성 폐기물을 만든다. 또한 우라늄 235의 핵분열 생기는 생성물 또한 방사성 동위원소로 방사성폐기물로 분류된다. 핵융합의 경우 고순도의 중수소 삼중수소만을 사용하여 100% 반응하며, 핵융합 발전소의 반응생성물은 방사능을 띠지 않는 헬륨이며, 인류 문명에 이롭기까지 하다. 핵융합 발전소에서 나온 헬륨은 풍선으로 만들어 팔아도 문제가 되지 않을 만큼 안전하며,[26] 초극저온 연구에 필수적인 액체 헬륨으로 만들어 과학 발전에 유용하게 사용할 수도 있다. D-D 반응 및 삼중수소의 붕괴 생성물로 헬륨-3도 소량 발생하는데, 이 헬륨-3는 현재로서는 '없어서 못 구하는' 귀한 물질이며, 나오기만 한다면 다시 반응로에 넣고 연료로 재사용할 수도 있어서 많이 배출되면 오히려 더욱 좋은 물질이다.

핵융합 발전에서 거의 유일하게 문제가 되는 것은 중성자선인데, 중성자선은 고속 중성자의 흐름이다. 고속 중성자는 반응로를 방사화(Neutron activation)시키는데, 대량의 사용후핵연료까지 다 신경 써서 최대 수십만 년동안 환경으로부터 격리해야 하는 핵분열 발전과 달리 핵융합 발전은 손상된 플라즈마 대면재료 및 진공용기와 같은 중저준위의 폐기물만이 소량 발생되므로, 결국 환경에 유해한 폐기물의 양은 핵분열 발전에 비해 어마어마하게 적게 배출된다. 그리고 중성자 방사화 문제는 원자로에도 해당하는 문제이므로 저 방사화 소재에 대한 연구들이 많이 진행되고 있다. 이에 더해 방사화를 더욱 줄일 방법으로 액체금속[27] 블랭킷(Blanket)[28] 및 디버터(Divertor)[29]에 대한 연구도 진행중이다.

물론 이러한 과제는 상당한 난제임에 틀림없으며, 실제로도 초고온의 환경에서 내방사선, 저방사화 특성을 유지하는 실용적 소재를 개발하는 연구의 진척은 매우 더딘 편이다. 게다가 고속 중성자만이 문제인 것이 아니라, Runaway electrons 현상이나 헬륨 및 수소원자핵에 의한 Embrittlement와 같은 현상들 또한 플라즈마 대면재료(Plasma facing materials)에 지속적으로 손상을 입힌다. 또한 ITER에서 사용하는 베릴륨 기반 블랭킷은 그 원석 생산과정에서 우라늄 오염이 발생한다. 일상적인 환경에서 베릴륨은 평범한(?) 발암물질에 불구하지만, 핵융합로에서 발생한 중성자가 블랭킷 내부에 포함된 소량의 우라늄과 반응하여 방사성을 띄게 만드는게 문제가 된다. 결국 훗날 블랭킷을 교체할때 방사성 폐기물을 처리해야 할 것이다. # 따라서 많은 핵융합을 연구하는 과학자들은 실용 핵융합로의 경우 수 년을 주기로 로봇을 투입해 손상된 플라즈마 대면재를 교체하거나, 일체형 구조의 진공용기를 수 년마다 통째로 교환하는 형태가 될 것으로 예상한다. 이것이 바로 핵융합 발전에서 필연적으로 발생하게 되는 중저준위의 방사성 폐기물이다. 물론 소재 기술이 크게 발전하거나, 삼중수소 대량생산에 성공하여 블랭킷을 통한 증식과정이 필요없어지거나, 앞서 언급한 aneutronic fusion이 성공한다면 이 주기를 더 증가시킬(이론상 FPY(Full Power Year) 약 10년 이상) 수 있을 뿐더러, 방사화가 거의 발생하지 않아 방폐물을 0에 가깝게 줄일 수 있는 여지는 있다.

또한 삼중수소 대신 헬륨-3을 연료로 사용할 경우 중성자 대신 양성자가 방출되므로 중성자선을 줄일 수 있다. 물론 이 경우에도 헬륨-3과 같이 투입되는 중수소 사이에서도 융합이 일어날 수 있어서 중성자선 발생이 완전히 없어지지는 않는다.

2.7. 인류의 에너지 사용량 논의

인류의 지속적인 성장, 에너지 사용량의 증가는 자원고갈과 파멸을 낳으며, 핵융합처럼 가용에너지를 증가시키는건 파멸을 앞당긴다고 주로 금욕주의, 생태주의 운동단체들이 주장한다.

수요억제, 침체, 출산통제, 욕망통제만이 파멸을 미룬다는 주장이 있다. 이에 대한 반박으론 2022년 4월 인류를 대표하는 유엔환경계획 산하 IPCC가 "지금 당장 탄소배출을 0으로 하고도 탄소 포집까지 해야 한다. 앞으로 탄소 감축은 (핵융합 등) 기술혁신이 40~70%, 탄소포집이 30~60%"라고 했으므로 수요억제'만이' 해법은 아니다.

국제에너지기구의 2019년 보고서에 기반해 인류 에너지 소비량의 연 증가율이 약 2%로 유지된다고 가정하면, 효율 좋은 핵융합을 도입하고 바다에 풍부한 중수소를 사용하더라도 인류는 1000년 밖에 못 쓴다는 주장이 있다. 이에 대한 반박으론 복리로 1000년 뒤 에너지 소비량을 4억배로 가정한 것이며, 어차피 카르다쇼프 척도 1단계(10PW) 수준을 넘어서는 에너지는 지구 내에서 소비하기 어렵다. 그리고 이렇다면야 에너지 공급을 더욱 원활히 할 핵융합 발전의 연구가 필요하다는 당위도 된다.

지구 상의 자원은 결국 고갈될 것이란 주장이 있다. 이에 대한 반박으론 우주 개척으로 지구 밖에서도 중수소, 삼중수소, 헬륨을 채취해 올 수 있으며, 멀리 갈 것도 없이 헬륨은 달에 썩어 넘친다.

특정 분야/산업이 비관적이라고 꼭 폐지가 해답은 아니다. 2000년 닷컴 버블이 터질 때의 인터넷 산업은 비관론이 팽배했지만, MAGA 빅테크기업들이 세계를 호령했다. 2011년 우주왕복선이 퇴역할 때도 우주산업에 비관론이 팽배했지만, 스페이스X, 블루오리진 등이 위성 수천개를 쏴올리며 뉴스페이스 시대를 열고 있다.

이러한 금욕주의 즉 욕망 그 자체를 죄악시하는 시선은 '인간이 가용 에너지가 늘어봐야 자연파괴, 자원고갈, 인류멸종이나 앞당길 것'이라는 맬서스 트랩적인 비관주의, 선민사상, 인간 비판이다. 오히려 인간의 멸종으로부터의 생존 '욕구'는 틀:지구 온난화의 다양한 제도, 기술들을 만들어내며 탄소 중립에 도움이 되고 있다.

일부는 경제의 대침체를 통한 수요억제를 옹호하기도 한다. 하지만 경기 침체나 호황 둘 다 탄소 중립을 위한 수단이 된다. 탄소 중립에 도움이 되는 곳은 그린뉴딜 등으로 자원을 늘려 호황을 만들고, 방해가 되는 곳은 탄소금융 등으로 자원을 줄여 침체를 만들 수 있다. 이미 무인화와 저출산으로 수요가 줄어드는 마당인데 무분별한 수요억제는 혁신을 저해해 탄소 중립 실현을 더 미룰 수 있다.

2.8. 옹호-비판 주장-기사

2.8.1. 2000년대

2004년 1월, 일본의 마사토시 고시바 박사(2002년 노벨물리학상 수상)가 ITER 프로젝트를 "양두구육", "투입에너지보다 큰 산출에너지 못 만들 것", "과학기술인들의 의견이 무시되고 정치인-기업인들이 마이크를 잡아 계속 갈 것" 등으로 비판했다. #

2006년 3월, 미국의 미클로스 포콜랩 소장(MIT 플라즈마 융합연구센터)은 "핵융합 발전이 상용화되려면 아직도 50년 이상이 필요하며 이는 경제적 타당성을 결정하기에는 너무나 긴 시간"이라고 비판했다. #

2006년 11월, 프랑스의 피에르질 드젠 박사(1991년 노벨물리학상 수상)가 ITER 프로젝트를 "태양을 상자에 가두어둔다는 계획은 멋진 발상이다. 문제는 우리가 그런 상자를 어떻게 만들어야 하는지 모른다는 점"이라고 비판했다. #

2007년 5월, 석광훈 녹색연합 정책위원이 한겨레21에 돈 먹는 하마에 거침없이 투자라는 글을 쓴다.

2008년 5월, 프랑스의 블랑딘 앙투안, 엘로디 르노가 '에너지 세계일주(Le tour du monde des energies)'라는 책을 쓴다. 미국 UC버클리 에드워드 모스 교수의 "이 시스템(레이저를 통한 관성 밀폐 융합)이 언젠가 전력 공급원이 될 거라고 생각하는 것만큼 멍청한 짓도 없을 겁니다", 프랑스 원자력 에너지 위원회 연구원 크리스토프 드보넬의 "지속적인 전력 생산은 먼 일", "자기장 가둠보다 관성 가둠 방식 집중해야", MIT 연구원인 앙투안[30]의 "플라즈마 압력이 1초만 유지돼도 손익 분기점일 것" 등의 발언들을 담았다. 이후 2011년 4월, 한재각 에너지기후정책연구소 소장이 프레시안에 핵융합? 1초에 수천억 원 날리는 멍청한 짓이라는 글을 쓴다. 이는 한국에 뒤늦게 정발된 이 책의 소개 기사로 옮긴이는 담긴 내용이 오래 되었으며 이미 자기장 가둠 방식이 10초도 넘겼음을 언급했다.

2.8.2. 2010년대

2010년 10월, 이경수 KSTAR 소장은 한겨레와의 인터뷰에서 "핵융합 발전에도 감당할 수 있을 정도의 중저준위 폐기물은 나옵니다"라는 점을 지적했다. # 이경수 박사는 오랜 기간 KSTAR 소장으로 국내 핵융합 연구를 이끌었고, 2015년부터는 ITER 국제기구 사무차장이었던 핵융합 전문가이다. 하지만 환경운동단체들이 이 인터뷰를 확대해석하여 핵분열발전만큼 방사성폐기물이 나온다고 하기도 했다. 인터뷰 문장 그대로 핵융합 방식으로 나오는 중저준위 방사성 폐기물은 현재의 핵분열 방식보다 훨씬 적게 나오며 충분히 감당할 수 있는 양이다.[31]

2010년 11월, 스티븐 호킹이 미국의 타임지가 '죽기 전에 보고 싶은 과학적인 발견이나 진보'란 질문에 망설임 없이 핵융합 발전을 꼽고, "인류가 필연적으로 마주할 도전이며, 오염과 지구 온난화 없이 무한한 에너지의 공급원"이라고 옹호했다. #

2016년 11월, 스티븐 호킹은 영국의 케임브리지 대학의 빅 데이터 연구소 출범식에서 BBC와 단독 인터뷰를 갖고, '인류를 변화시킬 단 하나의 아이디어만 골라달라(World Changing idea)'는 질문에 핵융합 발전을 꼽고, "핵융합 발전이 인류를 종말에서 구할 수 있는 첫 번째 단추"라고 옹호했다. #

2017년 6월, 스티븐 호킹은 노르웨이의 과학-스타축제 스타무스에서 "인류는 100년 안에 지구를 떠나야 하며, 이를 위해 기존의 연소식 엔진보다 핵융합 엔진이 도입되어야 한다. 광속의 1/10까지도 가속가능할 것"이라고 옹호했다. #

2018년 2월, 미치오 카쿠는 저서 '인류의 미래'를 통해서 인류가 100년 내에 멸종하지 않는다면 카르다쇼프 척도 1단계에 도달할 것이며, 핵융합 발전이 완성되어 무한한 에너지를 갖고 우주로 나아갈 것이라고 보았다.

2018년 10월, 스티븐 호킹의 유고집 '어려운 질문에 대한 간략한 답변(Brief Answer to the Big Question)'에서 인류가 당면한 최대 위협을 '공룡 멸종 때와 똑같이' 소행성의 지구충돌 방어와 지구 온난화 대처이며, 둘의 해법은 핵융합 발전이라고 최후까지 강조했다.

2019년 3월, 양이원영 환경운동연합 탈핵팀 처장이 "핵융합은 태양에서 일어나는 현상으로 핵융합을 실현하는 것은 지구에 태양을 구현하겠다는 것으로 불가능함"이라며 핵융합 예산 전체를 삭감할 것을 주장하는 시민단체 예산 의견서 (원본)를 내놓았다.[32] 이게 인터넷에 퍼지면서 환경운동연합은 그야말로 조롱거리로 전락했고, 후원을 끊는 사람들이 속출했다. 이 보고서는 당장 적용할 수 있는 대안으로 예산의 우선순위를 돌리기 위해 의도적으로 인식을 왜곡하려 한 시도라 할 수 있다. 정상적인 과학적 관점이라면 태양에서 관찰할 수 있는 현상은 지구에서도 재현하는게 가능하다고 보는 것이라고 할 수 있다. 아이작 뉴턴의 물리학부터 이미 일상에서 일어나는 운동 현상과 별들의 움직임을 하나의 이론으로 통합한 것에서 의미가 있다고 평가받고 있다.

2.8.3. 2020년대

2020년 3월, 양이원영 에너지전환포럼 사무처장은 프레시안에 핵융합연구원 설립을 비판하는 기고를 작성한다. "코로나19 혼란 틈타 핵융합연구원 설립 추진?" 전문가라는 사람이 과학기술 및 관련 정책을 비판하는 전문적인 기사에 공신력 있는 전문 자료 대신 나무위키의 이 문서에 포함된 사진(그러나 나무위키가 원본인 사진은 아니라 나무위키도 어디선가 퍼온 사진으로 보인다)을 참고자료 중 하나로 소개한 점이 비판받았다.

2020년 4월, 21대 총선에서 더불어민주당의 비례대표용 정당인 더불어시민당을 통해, 핵융합 반대파인 양이원영은 국회의원이 되고 (비례번호 9번)[33], 핵융합 전문가인 이경수는 국회의원에 낙선하여 화제가 되었다.

2021년 3월, 강정민 전 원자력안전위원회 위원장은 경향신문에 "핵융합발전은 미래의 희망 에너지원일까"라는 부정적인 기고문을 올렸다. # 연소 플라스마의 거동 현상 파악이 2025년에야, 실증로 건설은 2050년에야, 상용화는 2070년에야 될 것이라 주장했다. 또한 1.6GW 출력 핵융합로의 건설비가 약 9조원, 균등화 발전비용이 180원/kWh로 타 발전원보다 비쌀 것이라 주장했다. 또한 잦은 출력 감발을 거치기엔 전력망 계통 안정에 해로울 것이라 주장했다.

2021년 5월, 강정민 전 위원장이 또 주간경향에 "핵융합발전은 경쟁력이 없다"고 부정적인 기고문을 올렸다. # 위에 덧붙여 캐나다-영국 운반 시 삼중수소가 g당 3만불로 비쌌던 사례를 들어 비싼 삼중수소 가격이 핵융합 발전의 경제성을 해할 것이라 주장했다.[34] 또한 1년 가동마다 최소 6개월을 유지보수를 위해 정지가 필요하다고 주장했다. 또한 중저준위 방사성 폐기물만 나올지라도 그 양이 매우 많다고 주장했다.

2021년 6월, 더불어민주당 양이원영 의원은 같은 당 송영길 대표의 "2027년 SMR 상용화, 2050년 핵융합 발전 상용화가 탄소 중립에 기여할 것"이라는 발표를 "검증 없는 주장"으로 비판하고 "재생에너지를 늘려야 한다"고 주장했다. #

2021년 7월, 강정민 전 위원장이 양이원영(6월 22일 부동산 투기 의혹으로 제명되어 이 시점에 무소속) 의원의 초대로 국회에서 발표를 했다. # 위 기고문들의 주장을 반복하며 연 1500억원의 예산의 삭감을 주장했다.

2021년 8월, 9명이 437단체 578인을 대표한다며 한국 YWCA에 모여 '탈핵 비상선언' 기자회견을 열고, "핵융합발전은 탄소중립에 기여할 수 없다"고 주장했다. #

2022년 1월, 안될과학이 유튜브로 핵융합 발전의 현 단계를 대중들에게 소개했다. 1부, 2부 이후 4월엔 초전도체 연구진과 핵융합 연구진을 초빙해 현 단계를 대중들에게 소개했다. #

2022년 12월, 한국의 안될과학 #, 미국의 닐 디그래스 타이슨 # 등이 미국 NIF의 핵융합 발전 성공을 대중들에게 소개했다.

3. 발전용 핵융합 연구

2016년까지 연구된 여러 핵융합 접근법들
출처: [A] [B] [C] [D] [E] [F] [G] [H] [I] [J] [K] [L] [M] [N] [O] [P] [Q] [R] [S] [T] [U] [V] [W] [X] [Y] [Z] [AA] [BB] [CC] [DD] [EE]

이미지 및 출처목록 출처: Answer to Why is nuclear fusion research so under funded when it has the potential to solve so many problems in the world? by Matthew J Moynihan

각 방법론에 대한 짧은 설명들 (위 출처와 동일저자): Answer to Which is the current situation of nuclear fusion? by Matthew J Moynihan

발전을 목표로 하지 않거나 채산성이 크게 떨어지는 핵융합 방식/기술/연구들은 상위 문서 핵융합 참고.

3.1. 자기장 가둠

파일:external/upload.wikimedia.org/Tokamak_fields_lg.png

자기장 가둠 방식의 발전이 이뤄지는 기본 구조 자체는 매우 간단하다. "핵융합로에 중수소와 삼중수소를 넣는다. → 융합로에 자기장을 걸어 중수소와 삼중수소로 이뤄진 플라즈마[66]를 가둔다 → 플라즈마를 초고온으로 가열한다. → 자발적으로 핵융합 반응이 일어난다. → 핵융합 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다."[67]

핵융합 반응 단계를 좀 더 자세히 살펴보면, 중수소와 삼중수소가 융합되어 고에너지의 알파선과 중성자선이 발생한다. 먼저, 알파선은 전하를 가지고 있으므로 자기장에 영향을 받기 때문에 플라즈마를 벗어날 수 없고, 알파선이 가진 에너지는 열로 전환되어 플라즈마를 가열하는 데 소모되며,[68] 에너지를 잃은 알파선은 평범한 헬륨핵으로 변해 융합로 밖으로 배출된다.[69] 다음으로, 중성자선은 전하가 없으므로 전자기장의 영향을 받지 않고 플라즈마 밖으로 빠져나와 외부의 리튬 블랭킷에 충돌되고 새로운 삼중수소를 발생시킨다.[70] 또한 중성자선이 가진 에너지는 리튬 블랭킷에 전달되어 블랭킷을 가열하며 이 에너지를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하게 된다.

비중성자(Aneutronic) 핵융합 발전의 경우 터빈이 필요하지 않으며, 발전 과정도 다르다. "핵융합로에 헬륨-3과 중수소 OR 수소와 붕소-11을 넣는다. → 자기장을 걸어 플라즈마를 가두고 초고온으로 가열한다. → 자발적으로 핵융합 반응이 일어난다. → 핵융합 반응에서 튀어나오는 알파입자나 양성자를 코일에 통과시켜 전류를 유도한다. OR 핵융합 과정에서 발생되는 X선의 광전효과를 이용한다. → 발전된 직류 전력을 교류로 변환해 송전선으로 보낸다."[71]

보통 수억도의 플라즈마를 어떻게 보관하는가가 가장 큰 문제라고 생각하겠지만, 자기장으로 가둬버리는 이론적 방안이 핵융합 개발의 초기부터 마련되어 있었으므로 과학자들은 이는 별로 문제될 것이 없다고 생각했고, 핵융합 발전의 상용화에 대한 전망은 매우 고무적이었다. 문제는 자기장을 어떤 모양으로 만드냐는 것. 자기장 가둠 방식의 기본은 도넛 모양의 가둠이다. 반지 모양의 자기 코일을 도넛 모양으로 배치해 그 안에 플라즈마를 가두는 것. 하지만 여기에도 구조적으로 플라즈마가 불안정해지게 하는 요소가 담겨있으니, 도넛 모양의 자기장 가둠 장치 구조상 플라즈마에 작용하는 외부 자기장은 도넛 바깥 방향으로 약해지기 때문에 플라즈마 내의 이온과 전자가 쏠리면서 상하로 움직이고 퍼텐셜 차에 따라 내부 전기장이 생기게 된다. 그러면 다시 이 전기장 때문에 플라즈마가 전체적으로 도넛 바깥쪽으로 휘어 벽과 닿아서 붕괴한다[72]. 이런 현상을 Neoclassical transport라고 하며 이를 막기 위해서는 플라즈마 띠 자체를 꼬아줘야 한다. 이온과 전자를 위아래로 섞어 전기장을 상쇄하려는 것. 과학자들은 도넛 모양의 자장 가둠 장치에서 플라즈마를 꽈배기처럼 꼬아주기 위해서 두 가지 방법을 고안하였는데, 그것이 바로 그 유명한 토카막[73]과 스텔러레이터[74]이다. 한편 자기장 가둠 방식에 회의를 가진 과학자들은 후술할 관성 가둠 방식의 접근 방법에 주목하였다.
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3.1.1. 토카막, 스텔러레이터

자세한 내용은 토카막 문서 참고하십시오.
프랑스 카다라쉬에 건설중인 국제핵융합로 ITER, 대한민국 대전의 KSTAR, 중국 합비의 이스트, 미국 MIT의 SPARC 등이 대표적이다.

3.1.2. 자기장 거울

자기 거울 또는 자기경(Magnetic Mirror) 방식은 토카막, 스텔러레이터와 달리 개방형 방식이다. 1960~1980년대 일찍이 아스트론 프로젝트 등 MFTF-B의 Yin-Yang 자석, 범피 토러스, Ioffe bars 등 다양한 방식이 시도됐지만 모두 플라즈마 불안정성과 유출 문제를 해결하지 못해 연구가 중단되고 사장되었던 방식이다[75]. 우리나라도 1991년 ~~미국이 연구 중단하면서~~ MIT로부터 Tara tandem mirror 장치를 인도받아 '한빛' 장치로 명명하고 관련 연구를 진행했었다.

2014년 10월, 록히드 마틴 측에서 이 방식을 채택하여 1년 안에 실증로, 5년 안에 대형 원자로, 10년 안에 핵융합 발전소를 짓겠다고 주장했다. 만일 성공하면 이제까지 내놨던 공밀레들의 목록에 한 개 더 끼일듯. 또한 핵융합 원자로를 10배 축소해 트럭에 탑재 가능한 원자로를 개발했다고 발표했으며, 10년 안에 상용화할 것이라 주장했다.

2015년 8월, 발표회에서 공개한 동영상, 컨셉 아트 등으로 자기 거울 (자기경) 방식을 이용한 것이 밝혀졌다. # 과거 기술들 대비 크게 혁신된 점은 찾아볼 수 없어 전문가들은 상용화에 회의적인 반응을 보였다.

2017년 중순 기준, 일본 쓰쿠바 대학의 GAMMA10 탠덤 미러 장치와 러시아 Budker 핵물리학 연구소의 Gas Dynamic Trap, 그 외 미국 몇몇 주립대 등에서도 자기경 방식을 소규모로 연구한다. 하지만 대다수 상용화보다 플라즈마 응용 연구 쪽을 목표한다.

2018년 3월, 록히드 마틴 측이 특허를 제출했다.# 크기가 작으므로 발전소와 항공모함을 넘어, 트럭과 전투기에도 사용 가능하다는 내용. 부정 측은 '미국 정부는 안보에 위해가 되는 특허는 삭제 권한이 있는데, 이 특허가 공개되었다는 것은 실현 가능성이 낮은 것이다'고 해석하고, 긍정 측은 '캘리포니아에서 시모델이 만들어지고 있다'고 주장한다.

2023년 8월 28일 록히드 마틴의 최고 경영자가 항공 분야 잡지 B2B 출간사인 '에비에이션 위크'에서 "2021년 이전에 스컹크 웍스는 핵융합 원자로의 개발을 중단 및 취소하였다"고 밝혔다. 이는 최소 3년 전에 내려진 결정이었으며 그동안 세간에 공개되지는 않았다고 한다.

3.2. 관성 가둠

파일:external/users.physics.ox.ac.uk/icf-principle.jpg

관성 가둠 방식 핵융합(ICF, Inertial confinement fusion)은 연료(중수소와 삼중수소의 혼합물 등)가 담긴 펠릿이나 Hohlraum의 내부 벽에 레이저빔 혹은 이온빔을 쏘거나, 핀치 효과(Pinch effect)를 이용해 열과 압력을 가해 핵융합을 일으키는 방식이다. 연료 펠릿에 쏘는 것과 Hohlraum의 내부 벽에 쏘는 것은 엄연히 다른 방식이다. 전자는 Direct drive, 후자는 Indirect drive라고 하며, Indirect drive는 Hohlraum의 내부 벽에 레이저를 쏘고 이 때 발생한 엑스선을 이용해 핵융합을 일으킨다. 위 그림은 Indirect drive를 묘사한 것이다. Indirect drive 방식은 수소폭탄의 폭발 메커니즘과 아주 유사하기 때문에 이를 통해 모사 핵실험을 할 수도 있다.

관성 가둠 방식에 비판적 시선이 존재하는데, 모든 에너지가 단 한 번의 작용에서 발생해, 증기 터빈에 열을 '지속하여' 제공할 수 없지 않냐는 것. 따라서 주 연구 주제는 이 작용을 빨리, 자주 연쇄적으로 일으키는 방법이다. NIF의 레이저 빔 방식의 경우 매 초 핵융합마다 새 연료 펠릿을 넣어주면서 물(증기)이 식지 않게 해야 한다. 더군다나 Hohlraum은 대량 생산이 되지 않으며, 금으로 제작되어 가격이 비싸서, 이를 대체하지 못 하면 실용화는 어렵다. 레이저 또한 지금보다 고성능, 고효율이 필요하다.

한편 미 국방부가 정의한 4세대 핵폭탄의 정의는 핵분열을 통한 핵융합을 일으키는 폭탄이 아닌 비핵수단을 이용한 핵융합 기폭인데 이 중 비핵 기폭 방법으로 강력한 레이저 조사를 통한 핵융합 기폭을 거론하고 있기 때문에 군사적인 의도로 핵융합을 개발하는 것 아니냐는 의견도 나온다. 물론 지금 레이저 핵융합 실험 결과로는 먼 미래의 이야기이고, 그것이 가능할 정도면 전자기장으로 연료를 압착해서 핵융합 시킬 수도 있기에 아직까진 걱정 안 해도 된다.

오히려 위에서 밝혔듯이 Indirect drive 방식은 수소폭탄의 작동 메커니즘과 굉장히 유사하기 때문에 이를 이용해 모사 핵실험을 할 수도 있다는 것이 포인트이다.[76] 이런 식으로 레이저 핵융합 시설을 이용하면 실제 원자폭탄을 이용한 핵실험 없이도 수소폭탄 개발에 필요한 중요 데이터들을 얻을 수 있다. 이런 사유로 미국의 NIF나 러시아, 중국, 프랑스, 영국과 같은 수소폭탄 보유국들이 Indirect drive를 이용한 핵융합 실험에 적극적이며, 실제로 관성가둠 핵융합 실험이 가능한 고에너지 레이저 시설들은 국제적으로 엄격한 규제 하에 건설 및 운영된다.[77] 기타 유럽국가(체코, 루마니아, 헝가리 등지에 고에너지 레이저 핵융합 실험 시설이 있다)들과 일본(오사카대학 산하의 ILE에서 GEKKO-XII(激光XII) 레이저 핵융합 시설을 운용하고 있다)에서는 일단 수소폭탄으로의 응용과 무관한 관성가둠 핵융합, 레이저-플라즈마 상호작용, 고에너지 물리학 실험들을 주로 진행하고 있다.

즉, 핵융합 발전은 핵무기 테스트, 고성능 레이저 개발, 고에너지 물리학 실험 등 다양한 점화시설의 건립 목적 중 하나일 뿐이다.

사실, NIF만 보자면 위의 주장들이 완전히 틀렸다고는 할 수 없지만 레이저 핵융합은 NIF나 로사톰 외에도 다양한 연구기관에서 연구되고 있기에 모두 맞는 것은 아니다. 지난 20년간 레이저 핵융합에 피코세컨드 혹은 펨토세컨드 레이저를 이용한 고속점화(Fast Ignition) 및 충격 점화(Shock/Impact Ignition) 등 새로운 기법이 도입되고, Flashlamp 펌핑 레이저를 대체할 DPSSL(다이오드 펌프 고체레이저) 기술이 눈부시게 발전하면서 레이저 핵융합도 발전에 충분히 이용될 수 있다는 예측이 극히 최근에 제시되고 있다. 이에 따라 몇 년 전부터 일본(오사카 대학의 LFEX), 프랑스(Laser Mégajoule 및 Laser Integration Line, LIL), 유럽연합(Extreme Light Infrastructure, ELI), 미국(로체스터 대학교의 OMEGA-EP), 중국(SG(神光)-IV 및 Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility, SULF[78]), 러시아(Российская Академия Наук의 Exawatt Center for Extreme Light Studies, XCELS) 등 세계 각국에서 페타와트 출력, 킬로줄 에너지 급의 레이저를 건설했거나 건설하는 중이다.

국내에서는 토카막 방식에 밀려 다른 방식은 보유한 대형 연구 장치가 없지만 그나마 레이저 핵융합은 소규모로 꾸준히 연구되고는 있다. KAIST와 GIST 및 GIST 산하의 APRI(고등광기술연구소), 한국원자력연구원, 기초과학연구원에서 고에너지 레이저 개발을 위한 OPCPA 기술과 레이저핵융합, 고속점화 기술에 대해 연구하고 있으며 특히 APRI는 비록 에너지는 수십J 정도지만 페타와트 출력을 가지는 레이저를 보유하고 있다.

3.2.1. 레이저 빔

금으로 만든 공동(Hohlraum)에, 작은 연료 펠릿을 장전하고, 여기에 레이저등으로 에너지를 가하면 표면에서 플라즈마가 분출되고 펠릿이 압축되며, 핵융합이 일어나는 방식이다.

미국 에너지부(DOE) 산하 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 국립점화시설(NIF)[79]

NIF 공식 유튜브 소개영상

1997년부터 건설되었으나 여러 사정으로 2009년 5월에야 완공 인증을 받고, 2009년 6월 첫 표적 실험이 있었고, 2010년 10월 첫 통합 점화 실험이 있었다. 시설의 잠재력을 모두 활용하기까지 기술적 진전이 더디고, 실제 펠릿에 조사되는 레이저가 전체의 10~20% 수준에 불과하여, 2012년 모기관 에너지부의 감사를 받는다.
2013년 9월, 1.8MJ를 투입해 불과 14kJ를 생산했다. 마침내 에너지 목표(Energy Milestone)를 지나 펠릿이 실제 흡수한 에너지보다 많은 에너지를 핵융합으로 방출한다는, 이론을 실험적으로 입증했다는 큰 성과였다. 이는 핵융합 점화라고 볼 수는 없지만 알파입자를 밖으로 빠져나오게 그대로 두는 것이 아니라 강제로 펠릿의 온도를 높이는 데에 사용해야 한다는 알파입자 자기가열(Alpha Particle Self Heating) 이론을 입증한 것이다.
2021년 8월, 1.9MJ를 투입해 1.3MJ(70%)를 생산했다. 점화가 가능한 수준까진 아니지만 기술적으론 대단히 발전한 것이다. 1997년 JET 원자로의 67% 기록을 깼다는 평. # 이후 1월에 뒤늦게 이 ICF 실험에서 연소 플라즈마(Burning plasma)를 달성하는데 성공했다는 사실을 공개했다. #
2022년 12월, 2.05MJ를 투입해 3.15MJ를 생산해 '에너지 순생산에 성공'했다고 발표했다. #1, #2 다만 2.05MJ 레이저빔이 생성되기 위해 400MJ에 가까운 전력이 투입되었으며# NIF는 시스템 전체가 아닌 핵융합 펠렛 자체의 에너지 수율만 고려한 것이다.[80]
2023년 7월, 작년 12월이 성공한 '에너지 순생산'을 재현하는데 성공했다고 발표했다. #
2023년 9월, 올해 7월 실험에서 2.05MJ를 투입해 3.88MJ를 생산해냈다고 발표했다. 이는 작년 12월보다 더 높은 순에너지 생산율이다. 추후 레이저 시스템을 개선해 2.2MJ를 투입할 예정이며, 최상의 상황에선 최대 7MJ의 에너지 생산량을 기대한다고 밝혔다. #

연방원자력기술연구소(RFNC-VNIIEF)의 UFL-2M

러시아 로사톰

2005년, 기계건설중앙연구소(TsNIIMash. Koralev 위치.)는 10억도를 달성했지만 경제성이 낮아 연구를 중단한다고 밝혔다. #
2016년, 연방원자력기술연구소(RFNC-VNIIEF. 사로프 위치.)는 4.6MJ 규모 연구시설 건설을 시작해 2022년 가동을 시작했다. 미국 NIF의 1.5배 규모의 세계 최대 레이저 핵융합 실험로로서 이온빔도 연구한다. #

중국 중국과학원(CAS)의 신광시설(SG)[81]

2019년 4월, 가동을 시작했다. #
2021년 11월, 금 펠릿을 더 작게 만드는 방식을 적용하여, 미국 NIF의 2021년 8월 실험보다 더 높은 성과를 냈다고 주장했다. #

3.2.2. 핀치

핀치(Pinch) 방식도 있다. 대표적으로 미국 샌디아 국립 연구소(SNL, Sandia National Laboratory)의 Z machine이 유명하다. 금속 와이어로 펠릿을 둘러싼 새장 형태의 Hohlraum을 사용하는데, 금속 와이어에 엄청난 대전류를 흘려 매우 강한 핀치 효과를 일으켜서 연료를 플라즈마화 및 압축시키는 원리다. 이 방식은 관성+정전 가둠 방식에 가깝다. 다만 요즘에는 금속 와이어 방식을 사용하지 않고, 원통 형태의 금속 용기에 고체 상태의 연료를 담고 레이저를 쏴서 플라즈마화시킨 뒤 대전류를 흘려 압축하는 MagLIF 방식을 연구중이다. 이 방식은 관성+자기 가둠 방식에 가깝다.

플라즈마 포커스(Plasma Focus) 방식도 있다. 이는 직선의 플라즈마에 직접 전류를 흘려 핀치 효과로 플라즈마를 압축해 핵융합을 일으키는 개방형 방식이다. 또한 핀치 효과는 토카막 플라즈마의 안정화에도 사용된다.

3.3. 관성+자기 가둠

자화표적핵융합(MTF: Magnetized Target Fusion), 자기관성핵융합(MIF: Magneto Inertial Fusion), 자화라이너관성핵융합(MagLIF: Magnetized Liner Inertial Fusion) 등이 있다. 두 개의 대포 포신을 서로 맞댄 모양을 한다. 포신의 양 끝에서 플라즈마를 발생시키고 자기력을 이용하여 가속한 뒤 가운데 지점에서 충돌시키게 되는데, 그러면 Field-Reversed Configuration(FRC)이라는 가운데가 뚫린 시가 담배 혹은 럭비공 형태의 플라즈마 덩어리(Plasmoid)가 생긴다. 이 FRC는 굉장히 안정적이고 베타값(플라즈마의 압력/자기장의 압력)이 크다는 특징이 있으며, 덕분에 보다 작은 크기의 핵융합로에서 더 많은 에너지를 생산할 수 있도록 해 준다. 특히 FRC는 그 스스로의 흐름이 자기장을 만들어 잠시 동안은 외부의 자기장이 없어도 스스로 형태를 유지하는 성질을 가진다.

헬리온 에너지 - 강력한 자기장(1.5 테슬라, 최종 40 테슬라 목표)으로 FRC를 압축해 융합하는 방식.

2015년 7월, 소개 영상을 올렸다. 유튜브
2020년 3월, 피터 틸이 170억원 가량 투자했다. #
2021년 11월, 일론 머스크가 5억 달러 투자했다. #
2022년 12월, Real Engineering 유튜버를 회사로 초청해 본사의 핵융합 장비를 소개했다 유튜브. 해당 영상은 전 핵융합과학자 유튜버 Impropable Matter에 의해 비판받았다. 유튜브
2023년 4월, 샘 올트먼이 4억 달러 투자했다. #
2023년 5월, 마이크로소프트가 2028년까지 50MW 전력을 구매하기로 계약을 체결했다. #
2023년 9월, 미국 철강기업 Nucor와 핵융합로 합작 프로젝트를 시작했다. 헬리온 에너지는 3500만 달러 투자를 받고 2030년까지 500MW 핵융합로를 건설하기로 했다. Nucor는 이를 통해 제로-탄소 철강 생산을 목표로 한다. 헬리온 Nucor 연합뉴스

제네럴 퓨전 - 피스톤으로 핵융합로를 강타, 충격파로 FRC를 압축시켜 융합하는 방식.[82]

2014년 4월, TED 영상을 올렸다. 한글 자막이 제공된다. 유튜브
2021년 6월, 제프 베이조스와 빌 게이츠 등이 3억 달러 투자했다. 영국에 시모델을 2022년 착공, 2025년 가동 예정. #

TAE[83] 테크놀로지 - 중성입자빔주입(Neutral Beam Injection, NBI)을 이용하여 FRC를 유지하며 지속적인 핵융합을 일으키는 방식.

2017년 1월, 소개 영상을 올렸다. 유튜브
2022년 7월, 구글과 쉐브론 등이 2.5억 달러 투자했다. #

프린스턴 대학교 - 회전 자기장(Rotating Magnetic Field)을 이용한 핵융합 로켓을 개발하고 있다. "Direct Fusion Drive"라는 프로젝트로, 현재 PFRC-2 실험로를 통해 연구하고 있으며 2020년 중반 프로토타입 핵융합로인 PFRC-4를 제작 목표한다.

워싱턴 대학교 - 프린스턴 대학교와 비슷하지만 원리는 조금 다른 "Fusion Driven Rocket"이라는 이름의 FRC를 이용한 핵융합 로켓을 개발하고 있고 2030년 완성을 목표로 하고 있다.

아발란체 에너지 - "The Orbitron"이라는 관성 자기 가둠 방식의 초소형 핵융합 반응로를 개발하고 있다. 1-100kWa의 에너지를 생산할 수 있다고 하며, 고출력을 내는 거대한 자석이나 레이저가 없어서 상대적으로 저렴한 비용에 초소형과 초경량으로 제작할 수 있고 크기가 매우 작아서 책상 위에 올려둘 수 있는 정도라고 한다.

3.4. 융합-분열 혼성로

융합-분열 혼성로(Fusion-Fission Hybrid)는 핵융합 방식과 기존의 핵분열 방식을 혼합한 것으로, 핵분열 발전의 폐기물로 발생하는 우라늄-238(열화우라늄의 주성분)이나 가장 안전하고(즉, 연쇄반응이 일어나지 않고 비교적 핵폐기물 문제에서도 자유로운) 풍부한 핵분열 연료인 토륨-232를 이용하여 에너지를 생산할 수 있다. 융합-분열 혼성로가 실용화된다면 핵융합로에서 블랭킷 재료를 핵분열 연료로 하는 형태가 될 것이다. 특히 토륨 융합-분열 혼성로의 경우 우라늄-235를 이용한 '시동'이 필요한 원자로 방식보다 안전하고, 가속기 방식보다 효율적으로 핵분열이 가능하다는 장점이 있다.

현재 융합-분열 혼성로의 주요 해결 과제는 핵융합의 유지를 위한 삼중수소 증식과 핵분열을 동시에 수행할 수 있을 만큼 충분히 중성자를 발생시키고 블랭킷을 적절히 분배할 수 있느냐는 것이다. 만약 순수 핵융합 발전이 실패한다면 이를 한 가지 대안으로도 고려해 볼 수 있을 것이다. 다만 이러한 반응로는 핵분열 생성물인 중수명 고방사능 핵종들, 특히 세슘-137처럼 30여년의 반감기를 가지는 장기 저장이 필요한 핵종들을 포함하는 방사능 폐기물이 생겨난다는 핵분열 발전 방식의 단점을 여전히 갖고 있다.

2015년 7월 중국공정물리연구원이 우라늄을 90% 활용 가능한 3000MW급 혼성로 개념설계를 마치고 건설에 돌입했다.

2021년 6월 러시아 쿠르차토프 핵융합연구소[84]에서 융합 분열로 타당성 연구를 위한 토카막로 T-15MD를 완성했다.#

4. 관련 기관

4.1. 국내 기관

한국핵융합에너지연구원(KFE)

플라즈마기술연구센터(KFE 산하)

4.2. 민간 기업

아시아 태평양

다원시스(Dawonsys Co., Ltd.) (국적: 한국, 관련 인물: 박선순, 연구분야: 핵융합 관련 기술)
(주)모비스(Mobiis) (국적: 한국, 관련 인물: 김지헌, 연구분야: 핵융합 관련 기술)
(주)서남(SuNAM Co., Ltd.) (국적: 한국, 관련 인물: 문승현, 연구분야: 고온초전도 선재 및 자석 기술)
하마마츠 포토닉스(Hamamatsu Photonics) (국적: 일본, 연구분야: 레이저 ICF)
교토 퓨저니어링(Kyoto Fusioneering) (국적: 일본, 연구분야: 핵융합 관련 기술)
Fujikura (국적: 일본, 연구분야: 고온초전도 선재 기술)
Shanghai Creative Superconductor Technologies (국적: 중국, 연구분야: 고온초전도 선재 기술)
HB11 에너지(HB11 Energy) (국적: 호주, 관련 인물: Heinrich Hora, 연구분야: 레이저 ICF)

유럽

토카막 에너지(Tokamak Energy) - 2009년, 영국 (관련 인물: 조나단 칼링, 데이빗 킹햄, 마이클 그라즈네비치)
르네상스 퓨전(Renaissance Fusion) (국적: 프랑스, 연구분야: 스텔러레이터)
마블 퓨전(Marvel Fusion) (국적: 독일, 연구분야: 레이저 ICF)
Bruker (국적: 독일, 연구분야: 고온초전도 선재 기술)
THEVA (국적: 독일, 연구분야: 고온초전도 선재 기술)
SuperOx (국적: 러시아, 연구분야: 고온초전도 선재 기술)
펠린(PELIN LLC) (국적: 러시아, 연구분야: Pellet Injection System)

북미

커먼웰스 퓨전 시스템즈(Commonwealth Fusion Systems, CFS) - 2018년, 미국 (관련 인물: 밥 뭄 가드, 데니스 화이트, 백승규) - SPARC(핵융합로)를 짓는 회사.
트라이 알파 에너지(Tri Alpha Energy, TAE) 테크놀로지 - 1998년, 미국 (관련 인물: 노먼 로스토커, 마이클 빈더바우어, 토시키 타지마 [85])
헬리온 에너지
~~록히드 마틴(Lockheed Martin) - 2010년, 미국 (관련 인물: 톰 맥과이어, 찰스 체이스)~~[86]
제너럴 아토믹스(General Atomics) (국적: 미국, 연구분야: 토카막)
Energy Matter Conversion Corporation(EMC2) - 1987년, 미국 (관련 인물: 로버트 버사드, 박재영)
로렌스빌 플라즈마 피직스(Lawrenceville Plasma Physics) (국적: 미국, 관련 인물: 에릭 러너, 연구분야: Dense Plasma Focus)
CT 퓨전(CT Fusion) (국적: 미국, 관련 인물: 토마스 자보, 애런 호삭, 데릭 서덜랜드, 연구분야: Spheromak)
타입 원 에너지(Type One Energy) (국적: 미국, 연구분야: 스텔러레이터)
Zap 에너지(Zap Energy) (국적: 미국, 연구분야: Z-pinch)
HyperV Technologies Corp. (국적: 미국, 연구분야: Plasma Jet Driven Magneto-Inertial Fusion, PJMIF)
Horne Technologies (국적: 미국, 연구분야: IEC)
프린스턴 퓨전 시스템즈(Princeton Fusion Systems) (국적: 미국, 연구분야: FRC)
아메리칸 슈퍼컨덕터(AMSC) (국적: 미국, 연구분야: 고온초전도 선재 기술)
SuperPower (국적: 미국, 연구분야: 고온초전도 선재 기술)
제너럴 퓨전(General Fusion, GF) - 2002년, 캐나다 (관련 인물: 미셸 라베르지, 마이클 델라지)

5. 둘러보기

원자력공학 Nuclear Engineering
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[1] 기존의 핵분열을 활용한 원자력 발전소도 우라늄 1kg로 석탄 3000톤을 연소하는 수준의 에너지를 낸다. 그러나 핵융합 발전의 효율은 핵분열의 7배 이상이다.[2] 블랙홀의 작용권이나 다이슨 스피어를 이용한 에너지 수급 등은 핵융합 발전의 효율을 능가할 수도 있으나 근미래 달성이 어렵다.[3] 개념 및 공학설계가 막 완성되던 2001년 당시 미국은 테러와의 전쟁 등으로 바빴다.[4] 이 무렵 관성 가둠, 관성+자기 가둠 방식 핵융합 발전은 대중에게 많이 알려지지 않은 것도 원인이다.[5] 1 미만이라면 투입 에너지가 산출되는 에너지보다 많다는 의미. 즉 배보다 배꼽이 크다.[6] 마치 '바로 캐내는' 유전과, 수압파쇄법 등 '힘을 들여 캐는' 셰일 가스와의 비교와 비슷하다.[7] 1g의 휘발유가 연소시 46kJ의 열을 내서 Q=46000이다[8] 태양코어의 체적당 열발생량은 276.5W/㎥에 불과하다. 이는 도마뱀보다 낮은 수치로, 태양이 엄청난 온도와 에너지를 내뿜는 이유는 단순히 코어 부피가 그만큼 크고 열전달이 잘 안되기 때문. 태양의 자체중력으로 인류의 핵융합로보단 조금 편법적으로 이뤄낸 초고밀도 양성자-양성자 연쇄 반응은 발전용으로 그대로 적용하긴 부적절하며, 공학적으로 현실적인 부피 내에서 유의미한 핵융합 에너지를 뽑아내려는 과학자들의 노력은 계속되고 있다.[9] P-¹¹B 반응 등 경수소를 사용하는 경우가 있긴 하다.[10] 이 때문에 삼중수소를 쓰지 않는 방식의 핵융합 방식들의 연구가 시급하게 이뤄지고 있다.[11] '만들'지 않고, '채굴'하는 방안이 2024년부터 논의된다. 유전처럼, 수소전, 수소 우물, 헬륨 발견 등으로 언론보도된다.[12] 핵융합 반응이 외부 에너지 투입 없이, 오직 Byproduct에 의한 Self heating만으로 스스로 유지될 수 있는 상태이다. 점화 상태에서 Q ratio는 이론적으로 무한대에 이른다. 경제성을 가지기 위해서 꼭 점화 조건에 이를 필요는 없지만, 일단은 핵융합 발전 연구의 기본 목표.[13] 보통 자기장 가둠 핵융합(MCF)은 플라즈마 온도가 높고 밀도가 낮으며, 관성 가둠 핵융합은 그 반대다. 또한, MCF는 에너지 가둠 시간을 증가시키기 위해 플라즈마 부피를 키우거나(ITER 방식), 고온초전도체 사용(Tokamak Energy, CFS의 방식) 혹은 밑에서 설명할 자화표적/자기관성 방식을 이용하여 자기장의 세기를 높히는 방법을 사용한다.[14] 캐나다에서 해상 수입 시.[15] 1톤당 30억 달러.[16] 수소폭탄이 그렇게 위력적인 것은 순전히 금속 리튬을 사용해서 순간적으로 엄청난 횟수의 핵융합 반응을 일으키기 때문이다. 금속과 플라즈마의 밀도 차이는 정말 아주아주 크다. 일반적으로 토카막 방식 핵융합로의 플라즈마에는 1m³ 당 10¹⁹~10²¹ 개의 전자(≒이온의 개수)가 존재하고, 표준 온도 압력(STP) 상태의 일반 기체에는 0.0224㎥(=22.4L) 당 1㏖(약 6.02×10²³개)의 분자가 존재한다. 비교하기 쉽게 이를 1m³ 당으로 환산하면 2.68 x 10²⁵ 개의 공기분자가 있다는 말이 된다. 즉 우리 주변의 공기보다도 밀도가 훨씬 낮다. 따라서 핵융합로에 연료를 욱여넣어서 핵융합로를 수소폭탄으로 만들려고 한다면, 핵융합로는 플라즈마 상태의 연료를 다 담을 수조차 없을 것이다.[17] 플라즈마의 온도는 높지만, 플라즈마가 가진 전체 열에너지는 얼마 안 된다는 뜻이다. 같은 부피의 100°C H₂O라도 100°C의 액체 물에는 스치기만 해도 심각한 화상을 입지만, 100°C의 수증기에 몇 초 동안 노출되는 정도로는 화상을 입지 않는 것과 원리가 같다. 단순한 산업에서의 스파크가 인간을 녹여버렸다는 사고를 본 적이 있는가?[18] 현재 핵분열 발전소들의 경우, 원자로에서 연료가 방치될 경우 스스로 열을 발생시켜 온도가 상승하기 때문에 냉각 계통이 필요하며, 만약 냉각이 일정 시간 이상 지연될 경우 바로 멜트다운 후 방사능 사고로 이어지게 된다. 원전의 수명이 다 되어도 남은 연료가 식을 때까지 비교적 긴 시간 동안 냉각을 해야 하는 것이 현재 핵분열 발전소이고, 실제로 원전사고들의 대부분은 냉각이 제대로 이루어지지 않아 발생한 사고들이다. 그에 비해 핵융합은 설령 장치가 깨져서 내부의 플라즈마가 누출되는 일이 생기더라도, 핵융합 플라즈마는 불순물(Impurity)에 굉장히 민감해서 외부의 산소 같은 중원소가 극미량이라도 섞이면 순식간에 스스로 냉각되어 기체 상태가 되기 때문에 체르노빌처럼 몇십년 동안 활활 타오를 수가 없다.[19] TNT 십수톤급 에너지[20] 이를 Quench 현상이라 하며, 초전도 자석을 사용하는 기기에는 Quench 현상으로 인한 피해를 최소화하기 위해 Quench Protection System을 구비하는 것이 현재의 추세이다.[21] 비슷한 사고가 초전도체를 쓰는 LHC이나 MRI등에 가끔 발생하지만, 급격히 기화된 비싼 헬륨 냉각제가 격납을 뚫고나오고 비싼 초전도선이 파손되는등 경제적 손실에 집중된 편.[22] 단, 최근 원자력계에서 주목받고 있는 용융염 고속로(Molten Salt Fast Reactor)가 이와 유사한 작동 방식을 가진다. 증식로 참조.[23] 대기 중에 떠다니는 미세한 고체 입자에 불이 붙어 기체처럼 폭발하는 현상. 화력 발전소에서는 석탄 분진이 폭발할 가능성이 있다.[24] 엄연히 수소도 폭발성 기체다. 힌덴부르크 참사 문서 참고.[25] 다만 이 내용을 가지고 반감기가 짧은 것이 더 안전하다는 생각을 갖게 되면 곤란하다. 반감기가 짧다는 것은 같은 시간 동안 붕괴하는 원자핵의 수가 더 많다는 것이고, 이는 방사선이 더 많이 나온다는 것을 의미한다. 즉, 같은 조건이면 반감기가 짧은 것이 더 위험하다는 것이다. 허나 제대로 계산하려면 방출하는 입자의 에너지도 고려해야 해서 반감기만으로 위험성을 판단하는 것은 어렵다. 게다가 삼중수소는 상기했다시피 투과력이 약한 베타선만 내뿜으며, 상대적으로 미량만 있는데다 그마저도 기체 상태로 퍼질 것임을 고려해야 한다. 그에 반해 핵분열 폐기물들은 이와는 정반대로 투과력과 에너지가 높은 방사선을 내뿜는데 그것도 모자라 기간도 엄청나게 길다. 핵 폐기물이 문제시되는 이유들 중 가장 큰 것으로 이들이 너무 긴 시간 동안 위험한 상태를 유지한다는 점을 놓고 보면, 오히려 (반응이 더 격렬해지지만) 폐기물이나 유출된 핵물질의 반감기가 짧은 편이 더 안전하다는 아이러니한 결론을 얻게 된다. 물론 폐기물 처리와 같은 특수한 상황에서나 성립할지도 모를 결론인 거지, 체내 피폭 같은 상황을 고려하면 전혀 다른 결론이 나올 수 있다.[26] 단, 상업적인 용도로 팔기에는 발생량이 너무 적다. 핵융합에 필요한 수소의 양이 g~kg 단위로 적은 만큼, 1년에 수십 kg밖에 생산하지 못하기 때문이다.[27] 주로 액체 리튬-6을 쓰는데, 중성자를 흡수해서 헬륨과 삼중수소로의 핵분열이 일어나기 때문이다. 과정을 핵방정식으로 서술하면 [math({}^6_3\text{Li}+{}^1_0\text n\to {}^4_2\text{He}+{}^3_1\text T)] (발열반응)이 된다. 헬륨은 비핵화 원소이므로 안전하며, 같이 방출된 삼중수소는 핵융합 발전의 연료로서 회수할 수 있는데다가, 발열반응인지라 이쪽에서도 에너지 추출이 가능해서 효율도 나쁘지 않은 편. 다만, 리튬-6은 자연계의 리튬의 8%에도 미치지 못하기 때문에 가장 많은 리튬-7을 이용한 방식도 연구중이라고 한다. 단, 이쪽은 중성자를 촉매 삼아 알파선과 삼중수소로 분리되기는 하지만, 흡열반응인지라 핵융합 발전에 쓰기에는 효율이 나쁘다. 실제 증식재에는 여러 현실적, 물리적 사유로 동위원소비를 적절하게 조정(약 30~60% 정도)하기 위해 COLEX Process 등을 이용한 6Li Enrichment가 필요하며, 여기에 삼중수소 증식률(Tritium Breeding Ratio)을 더욱 높여주기 위해 중성자 증배를 해 줄 수 있는 납이나 베릴륨과 같은 Neutron multiplier도 첨가된다. 대표적인 액체금속 증식재로는 PbLi eutectic mixture, FLiBe가 있으며 SnLi나 FLiNaBe 같은 물질들은 낮은 증식률 등을 사유로 제한적으로 연구되고 있다. 물론 고체상태의 증식재도 연구되고 있으며, 자갈(Pebble) 형태로 만든 Li₂TiO₃와 같은 물질들을 중성자 증배재와 함께 사용하는 방안이 잘 알려져 있다.[28] 블랭킷에는 삼중수소 증식을 위해 필요한 증식재, 증배재, 중성자 반사재 및 발전에 사용할 열 수송에 필요한 냉각계통 등이 들어가게 된다.[29] 디버터는 헬륨과 같이 핵융합 반응에 불필요한 원소들을 배출하는 역할을 한다.[30] 저자 블랑딘이 아님[31] "중저준위" 폐기물은 현재도 그 양 중 90% 이상이 사실상 원자로에서 활동하고 나온 사람들이 사용하던 장갑, 차폐복, 공구 등이다. 원전이 안전하게 가동되고 있는 한 이것들의 방사선 수치는 보통 자연방사선과 별반 다를 바 없을 정도로 낮지만, 혹시 모르기 때문에 모두 차폐하여 폐기하는 것이다. 일반적으로 말하는 핵폐기물(=세슘-137, 스트론튬-90, 플루토늄-289 등)은 고준위 폐기물이며, 현재까지 70년간 원전을 돌려온 미국의 100개 이상의 원자로에서 나온 폐기물 드럼통을 다 합쳐도 축구장 두 개를 다 덮을 수 없을 정도로 적게 나온다.[32] 이게 얼마나 어처구니없는 소리인지 감이 안 간다면, "전기는 하늘에서 일어나는 번개라는 현상을 지상에 구현하겠다는 것으로 불가능함"이라고 치환해서 읽어보자. 얼마나 어이없는 발언인지 이해가 갈 것이다.[33] 다만 양이원영은 핵융합 반대가 아닌 다른 환경운동을 이유로 비례대표로 선정되었으며, 양이원영의 핵융합 반대론은 당론이나 정책과는 무관하다.[34] 해당 사례는 2022년 6월 사이언스지 역시 지적했다. #[A] D.A. Sutherland., et al. "The dynomak: An advanced spheromak reactor concept with imposed-dynamo current drive and next-generation nuclear power technologies." Fusion Engineering and Design. Volume 89, Issue 4. 2014. Pages 412-425.ISSN 0920-3796. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2014.03.072[B] Jarboe, T. R., et al. "Imposed-dynamo current drive." Nuclear Fusion 52.8 (2012): 083017. https://doi.org/10.1088/0029-5515/52/8/083017[C] McGuire, Thomas. "The Lockheed Martin Compact Fusion Reactor." Thursday Colloquium. Princeton University, Princeton. 6 Aug. 2015. Lecture.[D] Park, J. "High-Energy Electron Confinement in a Magnetic Cusp Configuration." Physical Review X.N.p., 11 June 2015. https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.5.021024[E] Wobig, H., T. Andreeva, and C.D. Beidler. "Recent Development in Helias Reactor Studies." 19th IAEA Fusion Energy Conference. IAEA FT/1-6, 1 Jul, 2002. https://www.osti.gov/etdeweb/biblio/20410093[F] Wesson, John; et al. (2004). Tokamaks. 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Japan, Fukuoka. 22 May 2016.Lecture. https://web.archive.org/web/20110722072454/http://www.triam.kyushu-u.ac.jp/ICPP/program/download/12-PL01.pdf[66] 플라즈마는 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 제4의 상태를 말한다.[67] 이는 화력 발전이나 핵분열 발전과 구조적으로 매우 비슷한데, 화력 발전의 경우 "화로에 석탄을 넣는다 → 석탄에 불은 붙인다 → 자발적으로 화학적 반응이 일어난다 → 화학 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다." 핵분열 발전의 경우 "핵분열로에 핵연료봉을 넣는다 → 핵연료봉을 임계 질량 이상으로 합친다 → 자발적으로 핵분열 반응이 일어난다 → 핵분열 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다." 즉, 물을 끓여 대량의 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 돌리는 것은 화력 발전이나 핵분열 발전과 동일하며, 이 물을 끓이는 에너지원을 어디서 구할 것인가가 차이점일 뿐이다.[68] 초고온의 플라즈마는 여러 원인에 의해 빠른 속도로 식어 버리는데, "알파 입자가 플라즈마를 가열하는 속도" > "플라즈마가 식는 속도"의 등식이 성립하면 인위적으로 추가적인 가열을 할 필요가 없고 플라즈마는 스스로 계속해서 열을 낼 수 있다. 이 점은 핵융합 발전의 상용화에 있어서 1차 관건중 하나인데, TFTR(Tokamak Fusion Test Reactor ; 토카막 융합 시험로)등에서 이 부등식이 충분히 성립할 수 있음이 확인 되었다. 단, 이 부등식이 성립하지 않더라도 핵융합으로 발생한 에너지의 80 %가량을 중성자선이 가지고 있으므로 중성자선을 이용해 발전한 전력으로 부족분을 메꿀 수 있다. 하지만 알파입자가 스스로 플라즈마를 가열하는 것보다는 아무래도 효율이 많이 떨어질 수 밖에 없다.[69] 간단히 말해 헬륨은 핵융합 시 발생하는 배기가스라고 할 수 있다. 다량의 방사성 딸원소가 발생하는 핵분열 발전, 다량의 온실가스와 탄화물이 발생하는 화력 발전 등이 지구상에 큰 악영향을 끼치는 것과 대비되는 부분이다. 헬륨은 자연 생태계에 완전히 무해하다. 오히려 지구상 희소원소로 현대 과학 기술에 꼭 필요하다. 다만, 핵융합 시 발생한 헬륨은 상업적으로 이용할 수 없다. 수 kg의 중수소와 삼중수소만으로 핵분열로 수십기를 종일 가동해서 얻을 수 있는 전력을 생산할 수 있는데, 따라서 고출력의 핵융합 발전소라 할지라도 헬륨 생산량은 하루에 수 kg 정도가 고작이다. 이마저도 초전도체 설비를 위해 자체적으로 소모된다.[70] 핵융합 과정에서 삼중수소 하나당 중성자 하나가 발생하므로 중성자 하나당 하나 이상의 삼중수소를 재생산할 수 있어야 핵융합에 필요한 삼중수소를 계속 보충할 수 있는데, 중성자의 손실이 불가피하다는 점이 문제가 된다. 천연 상태의 리튬은 92.5%의 리튬-7과 7.5%의 리튬-6의 동위원소로 존재한다. 리튬-7은 고에너지의 중성자와 반응하고 리튬-6은 저에너지의 중성자와 반응하는데, 각 동위원소의 반응을 살펴보면 "Li-7 + n → He-4 + T + n - 2.5 MeV", "Li-6 + n → He-4 + T + 4.8 MeV"으로 리튬-7은 삼중수소 하나를 생산하고 2차 중성자를 생산하는데, 문제는 이게 흡열 반응이기 때문에, 이 반응으로 계속해서 삼중수소를 생산하는 건 불가능하다. 리튬-6은 발열 반응이긴 하지만, 중성자 하나당 삼중수소 하나만을 생산할 수 있기 때문에, 중성자의 손실이 일어나는 이상 소모되는 만큼의 삼중수소를 보충하지는 못한다. 따라서 리튬-7과 리튬-6의 동위원소비를 적절히 조정함으로써 DT반응 한 번당 다시 하나 이상의 삼중수소를 생산하는 것이 가능하다.[71] 참고로 대량의 직류 전력을 교류로 변환하는 기술은 이미 상용화되어 있으며, 태양광 발전이나 풍력 발전에서 사용되고 있다.[72] 물론 그렇다고 해서 핵분열 발전소가 폭발하는 것처럼 대재앙이 발생하진 않는다. 플라즈마는 열용량이 매우 작기 때문. 고등학교 과학 시간에 배운 내용을 기억해보자. 플라즈마는 융합로 내벽에 닿으면 즉시 냉각된다. 그저 더는 핵융합 발전이 이뤄지지 않을 뿐이다. 사실 애초에 필요한 온도까지 가열하는 것부터 불가능해진다.[73] 플라즈마 전류(Ohmic, NBI, RF 전류구동 및 Bootstrap current로 인해 생성된다)가 생성한 자기장과 외부 전자석으로 생성한 Toroidal 자기장을 같이 이용하여 플라즈마를 꼬아주는 방법을 사용한다.[74] 외부 전자석만으로 플라즈마를 꼬아주는 방법을 사용한다. 따라서 스텔러레이터의 플라즈마에는 국소적인 부분을 제외하고 플라즈마 전류가 존재하지 않으며, 이에 따라 토카막보다 플라즈마 불안정성 제어에서 조금 더 유리한 측면이 있다고 한다.[75] 자기 거울이나 Plasma Focus(핀치)와 같은 개방형 자기가둠 핵융합로는 핵융합 발전 연구 태동기에 많이 연구된 방식이나, 필요한 수준의 에너지 가둠 성능을 얻기 위해서는 핵융합로의 크기가 길이만 수km에 달하는 등 비현실적으로 거대해야 했거나 플라즈마 불안정성(Plasma instability)이 굉장히 심했다고 한다.[76] 예를들어 관성 가둠시 짧은 시간안에 연료가 압축하면서 밀도차에 의한 Rayleigh–Taylor instability 불안정 현상이 발생하는데, 이는 핵분열 폭발로 핵융합 연료를 압축시키는 수소폭탄에서도 비슷하게 나타나는 현상이다. 해당 불안전성으로 핵융합 연료가 균일하게 압축되지 못해 위력이 감소하는 것. 사실 핵실험을 한다면 번거로운 간접적인 방식 말고 직접적으로 이런 문제를 해결할 수 있으나, CTBT(포괄적 핵실험 금지조약, Comprehensive nuclear Test Ban Treaty)가 1996년 선언되면서 임계 핵실험에 대한 국제적 압박이 심화되어 관성 가둠과 같은 간접적 실험으로 선회한 것이다.[77] 러시아는 소련 시절 ISKRA-4/5 레이저를 통해 레이저 핵융합 연구를 진행하며 선전했으나, 소련 해체 이후 PIS를 개발한 Pelin 社와 같은 몇몇 실적을 제외하면 냉전시대에 비해 핵융합 분야에서 많은 성과를 보여주지는 못하고 예산문제로 ISKRA-6 프로그램이 파기되는 등 주춤했다. 2010년대 와서야 극레이저분야국제연구센터를 설립하며 관련 시설과 프로그램을 복구했다.[78] 중국과학원 산하 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics에서 운용[79] 샌프란시스코 옆 소도시에 위치한다. 각 약자는 (DOE, Department of Energy), (LLNL, Lawrence Livermore National Laboratory), (NIF, National Ignition Facility).[80] 물론 기술발전으로 어찌어찌 시스템 전체 에너지수율이 1을 넘기는게 불가능하지만은 않다. NIF는 레이저 시스템이 90년대에 기반하는 기술이라 그렇다고 설명하고 있으며 물리학적으로 원자 자체에 담겨있는 포텐셜 에너지를 뽑아쓰는 것이기 때문에 열역학 제2법칙도 위반하지 않고 영구기관도 아니다.[81] 광저우 옆 소도시에 위치한다. 각 약자는 (CAS, Chinese Academy of Sciences), (SG, Shenguang, 신광, 神光).[82] GF사는 과거 FRC 혹은 Spheromak의 병합(Merging) 방법을 포기하고, 현재 Coaxial Helicity Injection과 PbLi Eutectic mixture 기둥을 이용하여 구형 토카막을 생성한 뒤 이를 피스톤으로 압축하는 방법으로 선회한 상태이다.[83] Tri Alpha Energy 사에서 개명하였다.[84] 1950년대 만들어진 세계최초 핵융합 전문 연구소다. 핵물리학자인 이고리 쿠르차토프의 이름을 따왔다.[85] UC Irvine 교수이며, 1979년 UCLA의 John M. Dawson과 함께 레이저 플라즈마 가속기 개념을 고안한 사람으로 매우 유명하다.[86] 2020년 이전에 포기.