수소 붕소 융합

핵융합로의 연료

2015년 6월, 특이한 접근법으로 독불장군으로 여겨졌던 한 회사가 '충분히 오래'라는 별명이 붙은 성배의 절반을 달성했다고 발표했다. 트라이알파에너지라는 회사는 18년 역사의 대부분을 비밀에 부쳤다. 여기에는 그럴 만한 이유가 있었다. 핵융합 에너지의 역사는 과장과 환상, 실패한 주장들로 가득 차 있기 때문에 차라리 입을 다물고 있는 게 좋은 선택이었다. 그렇게 꾸준히 작업한 결과 트라이알파 에너지는 해내고야 말았다. 성공을 발표했을 때에는 이미 4만5000번의 실험 실행을 마친 뒤였다.

 

선견지명이 있었던 트라이알파에너지의 공동 창업자인 고 노먼 로스토커와 최고기술책임자인 마이클 빈더바우어는 다음 목적을 염두에 두고 회사를 시작했다. 그들은 일견 분명해 보이는 것을 질문했다. 플라스마 물리학 저널이 싣고 싶어하는 것이 아니라 유틸리티 회사가 원하는 것이 무엇인가? 유틸리티 회사는 필요한 곳이면 어디든지 지을 수 있고 세울 수 있는 안전하고 작고 값싸고 믿을 만한 발전기를 원한다. 안전은 중요하다. 핵융합로는 핵분열 원자로와 같은 방식으로 방사선을 생성하지는 않지만, 현재까지 핵융합로는 자유 중성자를 생성하는 수소의 동위원소인 삼중수소와 중수소 연료를 기반으로 하고 있다. 중성자로 인해 시간이 지남에 따라 원자로는 방사성을 띠는데, 이는 원자로의 작동 부품이 붕괴되기 때문에 6~9개월마다 교체해야 함을 의미한다.

 

수소 붕소 융합

로스토커와 빈더바우어는 안전성과 실용성, 가용성 때문에 그들의 연료로 수소-붕소를 선택했다. 수소-붕소는 어떤 의미 있는 중성자도 생성하지 않는다. 따라서 원자로는 100년은 아니더라도 수십 년간 지탱할 수 있다. 또한 어디에나 안전하게 배치할 수 있다. 셧다운 되더라도 아무 일도 일어나지 않는다. 다시 말하면, 이상이 생기면 안전하게 작동이 중단된다. 작동이 중단되면 가정용 발전기로 재가동할 수 있다. 삼중수소와 중수소는 크게 부족한 반면, 붕소는 최소한 10만 년은 사용할 정도의 공급분이 있으며 무엇보다 싸다. 심지어 트라이알파에너지는 농담조로 원자로를 구입하면 연료를 공짜로 주겠다고 말할 정도다.

 

수소-붕소 핵융합은 3개의 헬륨 원자를 생성한다. 남은 질량의 극소 부분이 에너지로 전환되는데, 이는 엄청난 양의 에너지다. 원자는 두 가지 방법으로 에너지를 만들 수 있다. 하나는 분열이고 다른 하나는 융합이다. 아인슈타인은 적절한 조건이 주어지면 질량은 에너지가 될 수도 있고, 그 반대가 될 수도 있음을 밝혔다. 인간의 관점에서 보면 아주 잘은 질량에 포함된 에너지의 양은 놀라운 것이다. 수소-붕소 핵융합은 핵분열보다 질량당 3~4배 더 많은 에너지를 생산하며, 사실상 폐기물이 없다. 플루토늄도, 방사능도, 용융도, 확산도 없다는 뜻이다.

 

일부 플라스마 물리학자들은 트라이알파에너지의 연료 선택을 비웃었다. 왜냐하면 수소-붕소 핵융합은 재래식 핵융합로에서 요구되는 겨우 섭씨 1억 도보다 30배나 더 많은 열을 필요로 하기 때문이다. 정확히 말하면 섭씨 30억 도가 필요하다. 수소-붕소의 경우, 이는 성공적인 핵융합의 두 가지 조건 중 하나인 '충분히 뜨겁게'를 충족하는 온도다. 충분히 오래와 충분히 뜨겁게가 합쳐지면 지구에 항성의 빛을 만들 수 있다.

 

핵융합 우너자로로 생성된 풍부하고 깨끗한 에너지로 무엇을 할지는 아직 확실치 않다. 에너지 측면에서 실행 가능한 핵융합로는 미래의 발전소가 될 수도 있다. 수소-붕소 핵융합은 탄소가 없으며, 지속 가능하고, 안전하다. 당시 트라이알파에너지는 킬로와트시당 10센트였지만, 곧 5퍼센트까지 떨어질 것이라고 예측되었다. 풍력에너지 분야의 최신 전력 구매 계약은 킬로와트시당 2센트이며, 태양열도 이와 그리 다르지 않다. 그러나 재생에너지는 예비 전원이나 저장이 있어야 사용할 수 있다. 신뢰성 있는 가스 및 석탄의 대체재나 대규모의 효과적인 에너지 저장이 있을 때까지, 탄소 기반 연료에 의해 제공되는 예비 전원에 대한 수요는 지속될 것이다. 그러나 핵융합의 성공 여부와 관계없이 에너지 혁명은 계속 진행되고 있다. 핵융합이 다른 재생에너지 기술과 결합된다면, 전기를 얻기 위한 화석연료는 궤멸될 것이다. 시간이 지나면서, 이러한 에너지원은 모든 산업 전반에 걸쳐 온실가스 저감을 위한 기초가 될 것이다.