핵융합은 ‘꿈의 에너지’로 불릴 만큼 많은 기대를 모아 왔습니다. 태양이 에너지를 생성하는 방식인 핵융합 반응은, 이론적으로 인류가 직면한 기후위기, 에너지 고갈, 에너지 안보 문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 대안으로 평가받고 있습니다. 그러나 지난 수십 년간 핵융합 기술은 이론과 실험에 머물러 있었고, 상용화는 늘 "수십 년 후"로 미뤄져 왔습니다. 그렇다면 2025년은 왜 특별한 해일까요?
이 글에서는 핵융합 상용화를 결정짓는 5가지 핵심 기술을 전문적 시각으로 분석하며, 각 기술이 왜 지금의 핵융합 산업 구조를 근본적으로 변화시키는지 설명하겠습니다.
1. 고온 초전도 자석(토카막 혁신의 기반)
핵융합에서 가장 많이 사용되는 장치 구조는 토카막(Tokamak)입니다. 이는 도넛 형태의 진공 챔버 내부에서 고온 플라스마를 자기장으로 구속해 핵융합 반응을 유도하는 구조입니다. 문제는, 이러한 자기장을 생성하려면 기존에는 거대한 전류와 냉각 장치가 필요한 구리 자석이 필요하다는 점입니다.
2025년을 기점으로 고온 초전도 자석(HTS, High Temperature Superconductor)이 핵융합 연구에서 주류 기술로 전환되고 있습니다.
핵심 기술적 변화
- 기존 자석 대비 자기장 강도 2배 이상
- 냉각이 용이한 액체질소 기반, 유지비 대폭 절감
- 장치 크기 소형화 → 건설비, 운용비 절감
대표 사례
- Commonwealth Fusion Systems (CFS): 2021년 세계 최초 20T 초전도 자석 실험 성공
- SPARC: 고온 초전도 자석을 적용한 소형 토카막 장치, 2025~2028년 출력 실증 예정
이 기술은 핵융합의 ‘대형·고비용’ 이미지를 깨고, 상용 핵융합 장치의 실현 가능성을 가시화하는 가장 결정적인 요소입니다.
2. 플라스마 제어 및 안정화( AI 예측 기술의 도입)
핵융합에서 플라스마는 불안정하고 제어가 어려운 대상입니다. 1억 도 이상의 고온 상태에서는 플라스마가 미세한 자기장 변화에도 반응해 갑작스러운 붕괴(disruption)가 발생하며, 이로 인해 실험 장비가 파손되거나 장치 전체가 가동 중단되기도 합니다.
이를 해결하기 위해 최근 몇 년간 등장한 기술이 바로 AI 기반 플라스마 예측 및 제어 시스템입니다.
기술 개요
- 플라스마 경계 조건, 전류 밀도, 자기장 세기 등을 수천 건의 실험 데이터를 기반으로 학습
- 실시간으로 붕괴 가능성을 예측하고 자기장, 전자빔, 중성입자 주입 등을 자동 조정
적용 사례
- KSTAR(한국): 2021년 1억 도 플라스마를 30초 이상 유지
- DIII-D(미국): AI 제어기 도입으로 안정화 성공, 실험 반복률 90% 이상 확보
2025년 현재 AI는 단순 보조를 넘어 장치의 안전성과 운전 효율을 극대화하는 핵심 제어 기술로 자리 잡고 있으며, 상용 핵융합로에서 운영비 절감과 안정성 확보에 필수적입니다.
3. 직접 전기 생산기술(열기관의 종말)
기존 핵융합 발전 개념은 반응로 내부에서 생성된 열을 물로 전달해 증기를 만들고, 증기터빈으로 전기를 생산하는 방식이었습니다. 그러나 이러한 열 기반 발전은 열손실이 크고, 효율이 낮으며, 복잡한 냉각 시스템이 필요하다는 문제가 있습니다.
2025년 기준으로 가장 주목받는 대안은 중성자 없이 직접 전기를 생산하는 방식입니다.
대표 기업
- Helion Energy: FRC(Field Reversed Configuration) 방식의 자가 구속 플라스마
기술 특징
- 플라스마 압축 → 전자기장 유도 → 직접 전력 변환
- 고온 증기, 터빈, 냉각수 불필요
기대 효과
- 시스템 단순화
- 장치 소형화
- 에너지 변환 효율 증가
Helion은 2025년 상반기에 50MW급 직접 전기 생산 장치를 가동할 계획이며, 이 기술은 기존 발전소 설계의 ‘패러다임’을 바꾸는 전환 기술로 평가받고 있습니다.
4. 삼중수소 연료 사이클(자립 가능한 연료 시스템)
핵융합의 연료인 중수소(D)와 삼중수소(T) 중, 삼중수소는 자연 상태에 거의 존재하지 않으며 핵융합 장치 내부에서 리튬과 중성자의 반응으로 생성되어야 합니다.
2025년을 기준으로, 상용화를 위한 핵심 기술 중 하나가 바로 이 자체 삼중수소 생산 및 회수 기술(T-breeding)입니다.
기술 구조
- 장치 내벽에 리튬 블랭킷 설치
- 반응 중 발생한 고속 중성자가 리튬과 반응해 삼중수소 생성
- 생성된 삼중수소를 회수 및 정제하여 연료로 재투입
기술적 난제
- 중성자 손상 방지용 소재 개발 필요
- 삼중수소 누출 시 방사선 안전성 확보
- 국제 핵비확산 규제에 부합하는 관리 체계 필요
기대 효과
- 연료 수급 자립
- 운영비 감소
- 핵비확산 우려 해소
이 기술은 ITER, DEMO 및 민간 핵융합 기업의 설계에서 연료경제성과 에너지 독립성 확보의 핵심 조건으로 간주됩니다.
5. 모듈형 핵융합 장치(소형화로 상업화 가속)
2025년 이후 핵융합 발전소의 미래는 거대한 건물이 아니라, 컨테이너처럼 이동 가능한 모듈형 장치에 있습니다.
모듈형 핵융합 장치는 설치 공간이 적고, 규모에 따라 병렬로 연결 가능하며, 지역 맞춤형 전력 공급이 가능하다는 장점을 지닙니다.
대표 기업
- TAE Technologies: 중성입자 기반 고안정 플라스마
- General Fusion: 자기 피스톤 충격 기반 융합
- First Light Fusion: 충격 융합(Inertial) 기술 상용화 추진
장점
- 저개발국, 도서지역, 군 기지 등 특수 지역 적용 용이
- 설치비 저렴, 이동 가능
- 정전 대비 백업 전원 기능 가능
이러한 모듈형 장치는 2025~2035년 핵융합 상용화의 실질적인 전초기지가 될 것으로 다수의 국가에서 관련 법규와 인증체계를 정비 중입니다.
결론: 2025년, 핵융합은 이론이 아닌 실현의 문턱에 있습니다
핵융합 기술은 오랜 시간 ‘불가능한 기술’로 여겨졌지만, 2025년을 기점으로 그 위상은 완전히 달라지고 있습니다. 지금은 더 이상 이론을 검증하는 단계가 아닙니다.
우리는 지금,
- 초전도 자석으로 작고 효율적인 장치를 설계하고,
- AI를 통해 복잡한 플라스마를 제어하며,
- 직접 전력을 생산하고,
- 자체 연료를 만들어내고,
- 이동 가능한 장치로 전력을 분산 공급하는 시대로 진입하고 있습니다.
핵융합은 더 이상 "미래의 에너지"가 아닙니다. 2025년부터는 그 실현 가능성을 입증하고, 상용화를 준비하는 ‘지금의 기술’입니다.