추산에 따르면, 태양이 매초 방출하는 에너지는 전 인류가 약 70만 년 동안 사용할 수 있는 양이다. 따라서 태양을 모방하여 무한한 청정에너지를 생산하는 것은 인류의 "궁극적인 에너지 꿈"이 되었다. "인공 태양" 꿈을 실현하는 것이 왜 어려울까? 현재 전 세계 및 중국의 연구 "진행 상황"은 어디까지 왔을까? 

자연계에서 핵융합은 "낯선" 현상이 아니다. 태양은 거대한 열핵융합 반응 장치와 같아서, 매 순간 핵융합 반응을 진행하고 있다 - 수소 원자핵이 지속적으로 충돌하여 헬륨핵으로 융합되면서 엄청난 에너지를 방출하고, 지구에 에너지를 공급한다. 

그러나 지구에는 태양처럼 핵융합을 유지할 수 있는 고온 고압 환경이 없다. "태양"을 만드는 첫 번째 난제는 핵융합에 필요한 엄격한 환경을 조성하는 것이다. 이론적으로, 중수소-삼중수소 플라즈마는 1억 도 이상의 온도로 가열되어야 하는데, 이는 태양 핵심 온도의 약 6~7배로, 원자핵 사이의 쿨롱 반발력을 극복하고 지속적인 핵융합이 일어나게 하기 위함이다. 

제어 가능한 핵융합은 플라즈마 물리학, 핵공학, 재료과학 등 분야의 난제들을 한데 모아놓은 것으로서, 지금까지 인류가 구상한 가장 복잡한 에너지 시스템 중 하나이다. 

현재 전 세계 핵융합 에너지 연구개발은 다양한 경로가 병행되고 빠르게 갱신되는 새로운 단계에 진입했다. 주요 기술 노선은 ‘자기 구속’과 ‘관성 구속’ 두 가지로 나눌 수 있다. 자기 구속은 강한 자기장을 통해 고온 플라즈마를 진공 용기 내에 안정적으로 가두어 장시간 지속적인 반응을 실현하는 방식으로, 토카막과 스텔러레이터가 주요 장치 유형입니다. 관성 구속은 고에너지 레이저나 입자 빔을 이용해 극히 짧은 시간 내에 연료 타겟을 압축하고 가열하여 핵융합 조건에 도달하게 하는 방식이다. 

현재 세계 여러 대형 토카막 실험 장치는 이미 핵융합 반응에 필요한 엄격한 조건을 짧은 시간 동안에는 구현할 수 있지만, 핵융합 출력 이득을 더욱 높이고, 플라즈마의 구속 성능과 안정성을 개선하며, 장시간 연소를 유지하고 순 에너지 출력을 얻는 방법은 여전히 거대한 과학적, 공학적 도전에 직면해 있다. 

국제 열핵융합 실험로(ITER)는 현재 전 세계에서 규모가 가장 큰 핵융합 과학 연구 프로젝트로서, 인류의 핵융합 에너지의 평화적 이용에 대한 아름다운 소망을 담고 있다. 이는 여러 국가의 협력으로 건설되고 있으며, 2020년에 조립이 시작되었다. 성공하면 자기 구속 핵융합 과학과 공학 기술의 실현 가능성을 증명하고, 2040년에서 2050년 사이 시범 발전소의 기반을 마련할 것이다. 

최근 세계 핵융합 에너지 그룹 제2차 장관급 회의 및 국제원자력기구 제30회 핵융합 에너지 대회가 중국에서 개최되었다. 이 대회에서 국제원자력기구 핵융합 에너지 연구 및 훈련 협력 센터가 쓰촨 청두에 설립되었으며, 이는 중국이 핵융합 에너지 분야에서 국제적 지위와 영향력이 크게 향상되었음을 보여준다. 

중국은 세계에서 완전한 핵 산업 체계를 갖춘 몇 안 되는 국가 중 하나로, 제어 가능한 핵융합 분야에서 국가 주요 과학기술 기초시설을 중심으로 산학연이 협력하는 혁신 체계를 형성했다. 예를 들어, 2025년 "중국 환류 3호"는 처음으로 원자핵과 전자 온도 모두 1억 도를 돌파하여 중국의 제어 가능한 핵융합 기술이 중대한 진전을 이루었음을 보여주었다. 안후이성 허페이에 있는 전초전도 토카막 핵융합 실험 장치(EAST)는 새로운 세계 기록을 세워 처음으로 1억 도에서 1000초 동안 "고품질 연소"를 완성했다. 또한 컴팩트 핵융합 에너지 실험 장치(BEST)의 첫 번째 핵심 부품인 듀어 베이스가 성공적으로 설치되어, 프로젝트 주요 공사가 새로운 단계에 진입했음을 보여줍니다. 

중국핵공업그룹의 과학기술 리더 황메이는 현재 "실험로-시범로-상업로"의 순서로 핵융합로 연구개발을 진행하고 있다고 소개했다. 2027년경에 연소 플라즈마 실험을 시작하고, 관련 기술이 성숙한 후 선도적인 원자로 건설을 시작할 예정이며, 이 단계에서 핵융합 에너지 출력을 시연한 후 상업용 원자로 건설을 시작할 계획이다. 

미래에 인류가 제어 가능한 핵융합의 "횃불"을 성공적으로 점화한다면, 그 영향은 기술적 돌파 자체를 넘어 전체적이고 체계적인 심오한 변혁을 가져올 것이다. 이론적으로 무한히 취할 수 있고 무한히 사용할 수 있는 궁극적인 청정 에너지로서, 핵융합 에너지는 인류의 화석 연료 의존을 근본적으로 해결할 것이다. 동시에 초전도 재료, 인공지능 제어 등 첨단 분야의 집단적 발전을 이끌 것이다. ( 저자: 송천, 리리거)

광명일보,  2025.11.13. 

(원문보기) https://tech.huanqiu.com/article/4P7X9OKIAmc

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