깨끗한 에너지 돌파구를 약속하는 '멍청한 기계'

"Proxima가 오늘날 있는 이곳이 불가능할 것이라고 말하는 사람들이 몇 명 있었다고 기억합니다."라고 Proxima Fusion의 공동 창립자이자 CEO인 Francesco Sciortino가 말합니다.

전 세계 핵융합 프로젝트에 참여하는 과학자와 엔지니어들에게 불가능한 일을 시도한다고 비난받는 것은 드문 일이 아닙니다.

결국, 그들은 지구에서 태양을 움직이는 반응을 포착하려고 시도하고 있습니다.

성공하면 풍부하고 저렴하며 배출 없는 전기를 얻을 수 있습니다. 그러나 도전 과제는 엄청나며 작동하는 발전소는 아직 갈 길이 멉니다.

핵융합은 수소 핵을 융합하는 과정으로, 막대한 양의 에너지를 방출합니다.

태양에서는 거대한 중력이 반응을 계속 유지하는 데 도움이 됩니다.

지구에서 핵융합을 유지하려면 태양에서 발견되는 온도보다 훨씬 높은 극도로 높은 온도가 필요합니다.

따라서 연료(일반적으로 수소 동위원소인 삼중수소와 중수소의 조합)는 매우 뜨거운 플라즈마가 될 때까지 가열된 다음, 핵융합을 일으키기 위해 제어되고 조작되어야 합니다.

이를 수행하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 독일의 Proxima Fusion은 핵융합 산업의 극단적인 기준에서도 어렵다고 여겨지는 한 가지 방법을 시도하고 있습니다.

핵융합에 대한 일반적인 접근 방식은 토카막을 구축하는 것입니다. 이것은 강력한 자석을 사용하여 플라즈마를 가두는 도넛 모양의 장치입니다.

하지만 뮌헨에 본사를 둔 Proxima는 스텔라레이터를 개발 중입니다. 이것 역시 플라즈마를 조작하기 위해 자석을 사용하지만, 반응 용기는 뒤틀림과 굴곡이 있는 더 복잡한 모양을 가지고 있어 구축하기가 훨씬 더 어렵고 비용이 많이 듭니다.

그렇다면 왜 이 고통스러운 길을 택하는 것일까요?

Sciortino는 디자인이 작동한다면 스텔라레이터의 뒤틀림과 굴곡이 경쟁 토카막 디자인보다 훨씬 뜨거운 플라즈마를 제어하기 쉽게 만든다고 말합니다.

두 시스템을 비교할 때 그는 토카막은 "야수"이고 스텔라레이터는 "작은 고양이"라고 말합니다.

"스텔라레이터는 객관적으로 설계하기가 매우 어렵고, 객관적으로 구축하기가 매우 어려운 것입니다. 하지만 일단 그렇게 하면, 그것은 전자레인지와 같은 단순한 기계입니다."라고 Sciortino는 말합니다.

Proxima의 "단순한 기계"는 Alpha라는 스텔라레이터가 될 것입니다. 이것은 독일 막스 플랑크 플라즈마 물리 연구소와 그 스텔라레이터 W7-X에서 수십 년간 수행된 연구를 활용할 것입니다.

Alpha의 목표는 운영에 사용하는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 것이며, 여기서 얻은 교훈은 Stellaris라는 훨씬 더 발전된 핵융합 발전소 설계에 도움이 되고 있습니다.

하지만 먼저 Alpha는 많은 투자가 필요하며, 현재 모금 중입니다. Proxima는 최근 바이에른 주로부터 4억 유로(3억 4천만 파운드, 4억 6천만 달러)를 받았으며, 연방 정부로부터 10억 달러 이상의 자금 지원을 신청 중이며, 결정은 내년에 예상됩니다.

Proxima는 핵융합 산업을 대표하고 개발 상황을 추적하는 핵융합 산업 협회(FIA)에 따르면 53개의 다른 그룹과 핵융합 기술 개발 경쟁을 벌이고 있습니다.

토카막 방식을 사용하는 한 프로젝트는 영국에 기반을 둔 Step(Spherical Tokamak for Energy Production)입니다.

영국 정부의 지원을 받아 웨스트 버튼, 요크셔에 있는 옛 석탄 화력 발전소 부지에 시제품 발전소를 건설할 계획입니다.

"토카막은 수십 년에 걸쳐 구축된 깊은 실험적 기반이라는 이점을 가지고 있습니다. 그들은 핵융합 발전소에 필요한 성능에 더 가까운 플라즈마 성능을 시연했으며, 핵융합 연료를 사용한 운영도 포함됩니다."라고 Step의 조직 성과 이사이자 전 핵잠수함 HMS 터뷸런트의 함장이었던 Ryan Ramsey는 말합니다.

그리고 이러한 종류의 핵융합에서는 비싸고 강력한 자석을 비교적 간단하게 만들 수 있어야 합니다.

"그들(토카막)은 상대적으로 단순한 자기 기하학, 더 적고 더 규칙적인 코일을 활용합니다. 이것은 제조 가능성, 유지 보수성 및 비용에 실제적인 영향을 미칩니다."라고 Ramsey는 말합니다.

Sciortino는 Proxima가 직면한 과제를 잘 알고 있습니다. 그는 Proxima가 복잡한 모양의 자석을 스텔라레이터를 경제적으로 실현 가능하게 만들 속도와 비용으로 구축할 수 있을지에 대해 "잠을 설친다"고 말합니다.

"우리가 만드는 첫 번째 자석은 매우 복잡하고 매우 비쌀 것입니다. 하지만 예상보다 더 빨리 만들 수 있을까요? 그리고 비용을 낮출 수 있을까요?"라고 Sciortini는 묻습니다.

그들에게 유리한 점은 독일의 제조 전문성입니다. 예를 들어, Sciortino는 CNC 기계(목재, 금속, 플라스틱 등 재료를 절단, 조각 또는 성형할 수 있는 컴퓨터 제어 공작 기계)를 조작할 수 있는 인상적인 수의 작업자를 인용합니다.

Sciortino는 독일의 CNC 기계공이 550,000명인 반면 미국 전체에는 350,000명이라고 추정합니다.

이것은 자석에 매우 비싼 강철을 사용하는 Proxima에게 중요하며, 이 강철은 높은 수준의 정확도로 가공해야 합니다.

높은 수준의 정밀도를 유지하는 동시에 개발 속도를 유지하는 것이 Sciortino에게는 매우 중요합니다.

W7-X는 작동하는 데 10년 이상이 걸렸습니다. 그는 Alpha를 그 시간의 1/3로 가동하기를 원합니다.

따라서 시제품 자기 코일이 제작 중이며 내년에 테스트할 계획입니다.

Proxima에 따르면, 그것의 뒤틀린 기하학적 구조는 세계에서 가장 복잡한 자석 중 하나입니다.

테스트가 완료되면 Proxima는 Alpha 기계에 들어갈 40개의 자기 코일을 더 제작할 것입니다.

이를 위해 자석 공장이 건설 초기 단계에 있습니다.

"2028년, 2029년에는 엄청나게 빠른 속도로 자석을 생산할 수 있어야 합니다."라고 Sciortino는 말합니다.

작업은 독일에만 국한되지 않습니다. Sciortino는 유럽 전역에 핵심 공급업체가 있으며, 이는 유럽이 미래 핵융합 산업의 선두에 설 수 있음을 의미한다고 말합니다.

"우리(유럽인)는 디지털 물결을 놓쳤죠? 하지만 제조 분야에서 여전히 훈련받는 사람들이 있다는 것이 밝혀졌습니다."라고 그는 말합니다.

Step에서 Ramsey는 핵융합 산업이 이제 물리학 실험을 훨씬 넘어섰다고 강조합니다.

"지금 핵융합 분야에는 실제적인 추진력이 있으며, 이는 분열될 것이 아니라 강점으로 간주되어야 합니다. 이것은 단일 경로 경주가 아니라 다양한 절충안을 탐색하는 일련의 접근 방식입니다. 지금의 진정한 질문은 어떤 개념이 가장 흥미로운지가 아니라 어떤 것이 발전소를 현실적으로 제공할 수 있는지입니다."