레이저 핵융합의 가장 까다로운 공정, 일주일에서 두세 시간으로 단축

레이저 핵융합에서 연료 펠릿은 소모품 이상의 의미를 갖는다. 핵융합 반응을 일으키는 핵심 부품인 동시에, 제조 난도가 가장 높은 요소 중 하나이기 때문이다. 핵융합 스타트업 Inertia Enterprises는 연료 펠릿 충전과 냉동 연료층 형성 공정을 다시 설계해, 중수소·삼중수소(D–T) 연료가 들어간 표적을 약 두세 시간 안에 만들 수 있게 됐다고 밝혔다. 특히 결정 성장 단계는 미국 국립점화시설(NIF)에서 최대 일주일까지 걸릴 수 있지만, Inertia의 공정에서는 약 30분으로 줄었다고 한다. 135

이번 발표의 핵심은 새로운 실험 기록이라기보다 제조 공정의 산업화다. Inertia는 NIF에서 사용되는 느리고 고가인 맞춤형 표적을 향후 연속 생산이 가능한 제품으로 바꾸려 한다. 다만 회사는 공정의 모든 세부 기술을 공개하지 않았으며, 현재 가장 분명한 근거는 생산 시간 단축에 관한 회사 측 설명이지 상업 규모 생산이 독립적으로 검증됐다는 뜻은 아니다.

왜 핵융합 연료 펠릿은 만들기 어려운가

레이저 핵융합 표적은 D–T 기체와 균일하게 얼린 D–T 연료층을 담은 구형 다이아몬드 껍질로 구성된다. 이 표적은 금으로 된 ‘홀라우뮴(hohlraum)’ 안에 들어가며, 홀라우뮴은 레이저 에너지를 엑스선으로 바꿔 내부 연료를 압축한다. 이때 표적의 형상과 각 층의 균일도가 매우 중요하다. 구형에서 조금만 벗어나도 연료를 고르게 압축하는 내폭 과정이 흐트러져 점화가 어려워질 수 있다. 17

NIF에서 이런 표적 하나를 만드는 데는 일주일 이상이 걸릴 수 있고, 보도에 따르면 비용도 “엄청나게 많이” 든다. NIF는 반복적으로 전기를 생산하는 발전소가 아니라 실험을 수행하는 시설이므로, 발전소가 필요로 할 대량의 표적을 지속적으로 만들어내는 생산 체계를 갖추고 있지 않다. 1

Inertia가 바꿨다고 밝힌 공정

Inertia가 겨냥한 병목은 표적에 연료를 채우고, 균일한 냉동 연료 결정을 성장시키는 단계다. 회사는 결정 성장 시간을 약 30분으로 줄였고, 충전부터 완성까지의 전체 펠릿 제조 주기를 약 두세 시간으로 단축했다고 설명한다. 35

그렇다고 구형 정밀도가 더 이상 중요하지 않다는 의미는 아니다. Inertia의 접근법은 정밀도를 완전히 포기하는 대신, NIF 실험보다 제조 오차에 더 큰 여유를 둔 시스템과 빠른 생산 공정을 결합하는 데 있다. 회사는 계획 중인 레이저가 NIF 레이저보다 약 네 배 강력할 것이라며, 이 추가 출력이 표적의 작은 불완전성을 보완할 여지를 제공한다고 말한다. 39

이 차이는 중요하다. 펠릿을 빨리 만들더라도 점화 가능한 내폭에 필요한 물리적 조건을 충족하지 못하면 상용화에 도움이 되지 않는다. 따라서 Inertia가 풀려는 문제는 NIF의 기본 표적 구조를 유지하면서도, 제조 시간과 요구 정밀도를 동시에 낮추는 것이다. 1

상용 핵융합에서 ‘속도’가 중요한 이유

상용 레이저 핵융합 발전소는 연구시설과 전혀 다른 속도로 표적을 소비하게 된다. Inertia는 완전한 규모의 발전소에 초당 약 10개의 연료 펠릿이 필요할 것으로 보고 있다. 이 계획이 현실화되려면 레이저와 반응 챔버뿐 아니라 반복 가능하고 대량 생산 가능한 펠릿 제조 체계도 필수적이다. 13

물론 펠릿 하나를 두세 시간에 만든다는 사실만으로 공장에서 초당 10개를 공급할 수 있다는 뜻은 아니다. 그러나 일주일씩 걸리는 수작업 표적에 의존해서는 전기를 생산할 만큼 반복적으로 레이저를 발사하기 어렵다. Inertia의 공정 개선은 상용화 과정에서 가장 근본적인 제조 병목 중 하나를 직접 겨냥한다.

생산 시간이 짧아지면 완성되지 않았거나 대기 중인 표적에 묶여 있는 삼중수소의 양도 줄일 가능성이 있다. 삼중수소는 방사성 물질인 데다 매우 희소하기 때문에, 각 생산 주기에 필요한 처리 시간과 재고를 줄이는 일은 연료 관리와 발전소 경제성 측면에서 중요하다. 다만 현재 공개된 자료가 Inertia의 삼중수소 재고가 실제로 얼마나 감소했는지를 측정해 보여주는 것은 아니다. 11

의미 있는 진전이지만, 발전소 완성은 아니다

Inertia의 발표는 NIF의 점화 실험과 상용 발전소 사이에 놓인 여러 간극 중 하나를 다룬다. 핵심은 점화에 사용되는 표적을 산업 현장에서 충분히 빠르고 일정하게 제조할 수 있느냐는 문제다.

하지만 지속적인 반복 운전, 시스템 전체 효율, 표적 주입과 전달, 연료 공급, 경제적인 전력 생산 등 발전소를 완성하기 위해 넘어야 할 과제는 여전히 남아 있다. 따라서 이번 발표를 “상용 핵융합이 시작됐다”는 뜻으로 해석하는 것은 과하다.

가장 정확한 평가는 더 좁다. Inertia는 필요한 핵심 부품 중 하나의 제조 시간을 크게 줄였다고 주장하고 있다. 이 결과가 점화에 필요한 성능을 유지한 채 규모를 키울 수 있다면, NIF에서 출발한 레이저 핵융합 방식이 공장형 생산에 한 걸음 더 가까워질 수 있다. 다만 회사 역시 연료 충전을 상용 발전소로 가는 여러 난관 중 하나로 제시하고 있다. 15