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핵융합 에너지에 대한 꿈, 과장된 주장, 흐트러진 달팽이.
태양 에너지를 병에 담는 일은 늘 20년 뒤로 미뤄질 뿐이다.
[찰스 세이프] | 2013년 1월 3일 오전 5시 발표
냉각기(크라이오스타트)는 ITER의 진공실과 초전도 자기장 장치를 둘러싸는 진공 밀폐 용기로, 거의 거대한 냉장고와 같은 역할을 한다. 이 구조물은 스테인리스강으로 제작되며 두께는 50mm에서 250mm까지 다양하다. 용적은 약 8,500m³이며, 지름은 29.4미터, 높이는 29미터에 이른다. 무게는 3,800톤을 넘어서, 지금까지 만들어진 가장 큰 스테인리스강 진공 용기이다.
몇 주 전, 핵융합 연구자들이 한국의 자금을 활용해, 누구도 실제로 건설될 것이라고 믿지 않는 기계 설계를 시작했다 만약 실제로 만들었다면 작동하지도 않을 것이다. 이 기계는 프랑스에서 건설될지 말지 결정되지 않은 기계보다 조금 더 우스꽝스럽다. 그리고 만약 최종적으로 완성된다면, 원래 목표했던 목적에는 전혀 쓸모가 없을 것이다. 핵융합 에너지 이야기가 다소 이상하다는 것을 눈치챘다면, 당신은 맞다.
한편으로, 핵융합 에너지의 역사에는 지구의 에너지 문제를 해결하려는 광기, 과장, 순진함, 이상주의를 꿈꾸는 사람들이 가득하다. 그중 가장 유명한 인물 중 한 명인 마틴 플라이슈만은 작년에 세상을 떠났다. 동료 스탠리 폰스와 함께, 그는 실험실의 비커 안에서 수소를 헬륨으로 전환했다고 생각했지만, 만약 성공했다면 반응에서 발생하는 방사능으로 자신과 동료들이 모두 타버렸을 것이라는 점을 결코 생각하지 못했다. 플라이슈만이 처음은 아니었다. 1950년대에 아르헨티나의 페론 대통령 궁전 내부에서 정치적 음모에 휘말렸던 독일 출신의 로널드 리히터가 플라이슈만보다 거의 40년 앞서 이와 비슷한 실험을 시도했고, 최근의 음모자 안드레아 로시도 마지막이 아닐 것이다.
이유는 명확하다. 종이 위에서는 핵융합 에너지는 거의 무한한 잠재력을 지닌다. 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자를 모아 헬륨과 같은 무거운 원자로 만들면서 엄청난 양의 에너지를 방출한다. (핵분열은 반대로, 우라늄과 같은 무거운 원자를 더 가벼운 원자로 나누는 과정이다). 핵융합은 태양을 움직이는 과정이며, 그 효율은 지구상의 원자 연료로 인류의 모든 에너지 수요를 거의 영원히 충족시킬 수 있을 정도다. 문제는, 원자들을 충분히 강하게 부딪히게 해서 융합시키는 것이 매우 어렵다는 점이다. 원자들이 반응을 시작할 수 있도록 하기 위해, 수천만에서 수억도의 극한 온도를 만들어야 한다. 하지만 연료를 가열할수록 그를 뭉쳐서 유지해야 한다. 1억도의 플라즈마는 모든 방향으로 터져나가려 하지만, 반응을 지속하려면 그를 가둬야 한다. 과연 어떤 방식으로 병을 만들까?
태양의 병은 중력이다. 태양은 지구보다 30만 배 이상의 질량을 지니고 있어 거대한 중력장을 형성한다. 이 중력장과 압력이 연료인 수소를 압축하고, 흩어지지 않도록 가둬준다. 그러나 태양만큼의 질량을 가진 천체가 없으면, 다른 방법을 찾아야 한다.
매우 효과적인 방법 중 하나는 원자폭탄을 병으로 사용하는 것이다. 1952년 11월 1일, 미국은 핵융합 에너지를 이용해 태평양의 엘루겔라브 섬을 지구 표면에서 완전히 지우는 데 성공했다. '아이비 마이크' 시험의 핵심 장치는 사실상 거대한 냉각된 중수소 탱크였다. 한쪽 끝에는 나가사키형 플루토늄 폭탄이 있었고, 폭발할 때 이 폭탄이 연료를 압축하고 수백만 도까지 가열하며, 그를 가둬놓았다. 1초의 일부분 안에 지구 표면에서 태양의 화력을 발휘하게 된 것이다. 히로시마에 투하된 폭탄은 약 15킬로톤의 TNT에 해당했지만, 아이비 마이크는 약 10메가톤으로, 그보다 거의 700배 더 강력했다. 이 장치의 크기에 대해 이론적인 상한선은 없다. (소련은 1960년대에 50메가톤의 거대한 폭탄을 실험했다.)
이 장치는 작동하지만, 지구의 에너지 수요를 충족시키는 데는 매우 비효율적이다. 핵융합 무기를 안전한 전력 공급원으로 전환하는 것은 매우 어렵다. 이는 우리가 핵융합 무기를 활용하려는 시도를 하지 않았다는 뜻은 아니다. 아이비 마이크의 아버지라 불리는 에드워드 텔러는, 핵융합 무기를 평화적 목적—기상 조절, 석유층 가스 채굴, 알래스카의 암석에 항구를 파내기, 심지어 달을 분해하는 데까지—사용할 수 있다고 주장했다. 예, 에드워드 텔러는 자신이 말하길, "그것이 초래할 수 있는 교란을 관찰하기 위해 달을 분해하고 싶었다."
텔러의 무한한 핵융합 에너지에 대한 꿈은 그가 세상을 떠난 후에도 사라지지 않았다. 텔러의 과거 연구 장소인 로렌스 리버모어 국립연구소는 지금, 40억 달러 이상의 비용이 드는 거대한 핵융합 시설인 '국립융합설비(National Ignition Facility, NIF)'의 위치로 변모했다. 이 시설의 목표는, 완전히 작은 완두콩 크기의 수소 알갱이를, 레이저의 에너지가 지구를 빛내게 할 정도로 거대한 레이저로 압축하는 것이다. 예상 목표는 레이저로 투입된 에너지보다 더 많은 핵융합 에너지를 생산하는 것이다. 그리고 NIF의 과학자들은 2010년에 성공할 것이라고 예측했고, 그 후 2012년 10월에 성공할 것이라고 예측했지만, 결국 NIF는 리버모어 과학자들의 성공 예측이 완전히 틀렸다는 것을 입증했다. (프랑스의 메가줄 프로젝트가 이와 같은 대안이다.)
이것은 완벽한 실패다. 리버모어는 1970년대 후반부터 레이저 핵융합의 성공이 곧 닥칠 것이라고 예측해 왔지만, 그 예측은 끊임없이 실패했다. 실제로 비평가들(나를 포함해)은 NIF를 핵융합 에너지의 원천으로 보는 모든 주장이 비현실적이라고 오랫동안 주장해왔다. 레이저는 핵무기 연구를 위한 것이지, 에너지 생산을 위한 것이 아니다. (그리고 핵무기 연구에도 별로 잘 안 된다.) 그럼에도 불구하고 리버모어의 과학자들은, 비록 성공 가능성에 대한 설명이 루베 골드버그의 기계처럼 어색해도, 자신들의 고비용 레이저 연구가 결국 핵융합 에너지를 생산할 것이라고 주장한다. (점수를 따지자면, 최신 프로젝트 역시 자금이 확보된다면 또다시 망가질 것이다.)
리버모어가 핵융합을 과장하는 데 혼자인 것은 아니다. 1955년, 레이저가 발명되기 전부터 물리학자들은 핵융합 에너지가 20년 안에 사용 가능할 것이라고 예측했다. 당시 수백만 도의 수소 구름을 폭탄을 터뜨리지 않고 병에 담는 유일한 방법은 거대한 자기장이었다. 그 시절, 전 세계의 과학자들이 강력한 전자기장으로 뜨거운 수소 구름을 가두고 가열하는 기계 설계를 시도했다. 하지만 계획은 예상대로 되지 않았다. 수십 년에 걸친 실패의 반복에도 불구하고, 자기장 병은 여전히 너무 누수가 심했다. 그럼에도 불구하고 핵융합 에너지는 여전히 손끝에 닿을 듯한 거리에 있었다.
자기장 융합은 미국뿐만 아니라 소련, 독일, 일본, 영국 등 전 세계의 주요 연구 기관들이 모두 추진하는 프로젝트였다. 20세기 후반, 핵융합은 전 세계의 전력망을 공급할 수 있는 기술로 여겨졌다. 그러나 1985년 제네바 미소미팅에서 레이건과 고르바초프가 함께 핵융합 에너지를 공동 연구하기로 합의하면서, 상황은 바뀌었다. 몇 년 안에, 전 세계의 주요 국가들이 모두 100억 달러 이상의 거대한 프로젝트인 ITER(국제열핵융합실험로)라는 거대한 자기장 융합 병을 건설하는 데 참여하게 되었다.
ITER처럼 복잡한 프로젝트를 만들기 위해서는 진정한 국제적 협력이 필요하다. 그러나 만약 당신이 ITER 프로젝트 자체의 공식 기록만을 보았다면, 이 프로젝트가 뒷골목에서 얼마나 격렬한 싸움을 벌였는지 전혀 알 수 없을 것이다. 1980년대와 1990년대 초반의 예산 초과 문제에 대한 언급은 전혀 없다. ITER에 의해 국가적 핵융합 프로젝트의 예산이 빼앗긴 과학자들이 국제 프로젝트를 무너뜨리기 위해 뒷거래를 했던 사실도 언급되지 않는다. (그리고 그들은 성공했다: 1998년 미국은 프로젝트에서 탈퇴했고, 모든 계획은 다시 처음부터 시작되었다.) ITER의 규모가 급격히 축소된 사실(ITER-Lite로 개편됨)도 언급되지 않았다. 또한, 더 저렴한 새 기계가 원래 ITER의 목표였던 '지속적인 점화 및 연소'를 달성할 수 없다는 사실도 인정되지 않았다.
미국의 탈퇴 이후, 나머지 참가국들은 다시 모여 경제적 설계와 최소 예산으로 재구성했다. 미국은 다시 참여했고, 프랑스의 반응로 부지에서 기초 공사도 시작되었다. 그러나 이러한 긍정적인 전개에도 불구하고, 부활한 프로젝트는 여전히 붕괴 위기에 처해 있다. 원래 ITER의 실패를 초래한 동일한 요인들이 다시 작동하고 있다. 최소 예산(미국이 참여할 당시 약 50억 달러로 추정)은 팔스타프급으로 불어났고(최근 추정치는 200억 달러), 매년 완공 예정일은 끊임없이 미뤄지고 있다. (인터넷 웨이백머신을 살펴보면 그 일정이 어떻게 바뀌었는지 확인할 수 있다.)
현재 ITER의 재탄생 과정은 원래 프로젝트가 불태워졌던 모습과 매우 유사하다. 먼저 예산이 하늘 높이 치솟고 일정이 미뤄지고, 그 후 불가피하게 미국은 예산 부담에 어려움을 겪기 시작한다. 2008년, 미국 관료들은 의회에 예산이 매우 타이트한 상황에서 ITER의 약속된 비용을 감당할 수 없을 것이라고 밝혔다. 예산을 조율하기 위해 에너지부는 미국의 핵융합 연구 프로그램을 크게 축소했지만, 그만큼의 돈은 어디서도 충당되지 않았다. (다이애나 피네이신 상원의원이 에너지장관 스티븐 추에게 3월에 물었다. "만약 우리가 [ITER]를 계속 지원한다면, 3억 달러의 [연간 기여금]은 어디서 마련할 것입니까?" 추 장관의 답변은 "상원의원님, 매우 중요한 질문을 하셨습니다. 우리도 그 질문을 스스로 하고 있습니다.") 당연히, 예산이 빼앗긴 미국의 핵융합 전문가들은 당황하고 있다.
이러한 맥락에서, 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소가 한국과 협력해 핵융합 반응로를 설계 중이라고 발표한 것은, 핵융합 공동체가 얼마나 혼란스러운 상태에 빠졌는지를 보여준다. PPPL의 과학자들은 2030년대에 10억 와트의 핵융합 시험 공장을 완성할 것이라고 약속하고 있지만, ITER의 데이터 없이 이뤄질 가능성이 거의 없다. ITER 프로젝트의 주요 목적은 핵융합 발전소의 설계를 지원하는 것이므로, 200억 달러의 프로젝트가 거의 쓸모없다는 결론이 자연스럽게 도출된다. (이해할 수 없는 모순 속에서, ITER 공식 웹사이트는 과학자들이 2017년에 핵융합 발전소의 시제품 설계를 완료할 것이라고 제안하고 있으며, 동시에 ITER가 핵융합 발전소의 미래에 얼마나 필수적인지 강조하고 있다.)
이러한 역사적 맥락을 고려하면, 핵융합 에너지를 얻기 위해 비정통적인 접근법을 추구하는 열광적인 사람들—냉융합 꿈꾸는 사람이나, 자금은 많지만 머리는 별로 없는 스타트업의 아이디어를 믿는 사람들—이 등장하는 이유를 쉽게 이해할 수 있다. 전통적인 과학자들이 오랫동안 꿈을 좇아온 결과는, 비현실적인 약속의 꽃다발과 수많은 실망뿐이었다. 그리고 지금, 60년이 넘는 노력 끝에, 깨끗하고 거의 무한한 핵융합 에너지는 여전히 20년 뒤로 미뤄지고 있다. 이 속도로 가면, 결코 바뀌지 않을 것이다.
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