태양의 힘을 담다
핵융합을 통한 탄소 독립으로 가는 길
TAE Technologies의 수석 과학자 Jesús Romero가 어릴 적 그의 아버지는 집으로 일요일마다 신문을 가져오곤 했습니다. 그 안에는 퍼즐이 실린 작은 어린이용 신문이 있었습니다. 퍼즐은 보통 미로였는데, 만화 동물 캐릭터가 다양한 '위험'들을 피해 맨 마지막에 있는 상품이 있는 지점까지 가는 올바른 경로를 찾는 것이 목표였습니다. 어릴 적 Romero 씨는 맨 마지막부터 시작해서 거꾸로 길을 찾아가면 퍼즐을 더 쉽게 풀 수 있다는 사실을 금방 알아냈습니다. 그는 이 이야기를 통해 캘리포니아에 있는 TAE의 입구에 있는 포스터의 의미를 설명합니다. 포스터에는 카우보이모자를 쓴 회사의 공동 설립자였던 고인인 Norman Rostoker가 있고 이런 문구가 적혀 있습니다. "우리는 종착점을 염두에 두고 시작했습니다."
핵융합 에너지는 대기 오염을 유발하지 않고 노심 용융 위험도 없으며 탄소중립 온실가스 배출이 가능할 뿐만 아니라 장기적으로 남는 방사성 폐기물도 생산하지 않습니다.
TAE가 염두에 둔 종착점은 안전한 핵융합 발전입니다. 핵융합 발전은 수십 년간 많은 이들이 노력해온 목표입니다. 그러나 지구 핵융합을 달성하는 시기는 기술이 과학을 따라잡는 속도가 관건이었는데 현재 그 속도는 기하급수적으로 빨라지고 있습니다. 만약 이 목표를 달성할 수만 있다면, 핵융합을 통해 저렴하고 청정하며 무한에 가까운 에너지를 제공하고 사회의 혁신을 이뤄낼 수 있을 것입니다.
기존의 원자력 발전소는 원자의 분열을 이용합니다. 핵융합에서는 원자를 강제로 결합시킵니다. 핵융합은 훨씬 어려운 일이지만 그만큼 더 많은 에너지를 방출합니다. 태양을 비롯한 별들은 핵융합으로 에너지를 얻습니다. 핵융합 에너지는 대기 오염을 유발하지 않고 노심 용융 위험도 없으며 탄소중립 온실가스 배출이 가능할 뿐만 아니라 장기적으로 남는 방사성 폐기물도 생산하지 않습니다.
2017년 7월, TAE가 공개한 5세대 핵융합 장치 Norman. 이미지 출처: TAE
널리 사용되는 방식에서는 핵 안에 양성자 하나와 중성자 하나가 있는 중수소 및 양성자 하나와 중성자 두 개가 있는 삼중수소의 두 가지 수소 원자를 융합합니다. 양전하를 띠는 양성자는 서로 밀어냅니다. 수소 원자를 융합하려면 양성자들이 빠른 속도로 충돌하도록 충분한 압력과 열을 가해야 합니다. 필요한 열은 섭씨 수억 도 수준에 달하며, 이 온도는 플라즈마(전자와 핵이 따로 떠다니는 이온화된 가스)를 담는 모든 것을 녹일 수 있을 정도로 높습니다. 플라즈마를 반응로 벽에서 떨어진 중앙에 위치하도록 하기 위해 강력한 자기장이 사용됩니다.
대부분의 중수소-삼중수소 반응로는 원환체 형태입니다. 원환체는 도넛 모양을 나타내는 기하학 용어입니다. 이런 시스템은 중수소-삼중수소 처리 시설의 필요성, 극히 적은 삼중수소의 양, 초전도 전자석의 크기와 비용 등 많은 과제를 안고 있습니다.
TAE 팀은 다른 방법이 있다는 사실을 깨달았습니다. 그들은 "진정 안전한 반응로는 어떤 모습일까?"라는 종착점을 염두에 두고 시작했습니다. 그리고 유일한 해답은 수소-붕소 핵융합이라는 결론을 내렸습니다. 수소-붕소 핵융합은 알파 입자라고도 부르는 3개의 헬륨 핵(TAE의 원래 이름인 Tri Alpha Energy)과 X선만 생성하므로, 그것들을 포획하여 금속판을 가열해서 액체 형태의 CO2를 증발시키고 터빈을 구동함으로써 전기를 생성할 수 있습니다.
충돌 경로
University of California, Irvine의 물리학 교수였던 Rostoker와 그의 제자 Michl Binderbauer, 그리고 회사 초기에 참여했던 사람들은 1990년대 초에 이 문제를 다루기 시작했고 1998년에 TAE를 설립했습니다. Binderbauer는 현재 TAE의 CEO입니다. TAE는 1,400건 이상의 특허를 출원하거나 획득하였고 벤처 캐피털을 통해 7억 5천만 달러 이상의 투자를 유치하였습니다. 100,000회 이상의 실험을 실행했으며 현재 30여 개국 출신의 직원 약 200명이 근무하는 회사로 성장했습니다. 현재 그들은 작고한 Norman Rostoker의 이름을 딴 Norman이라는 5세대 실험용 반응로를 개발하고 있습니다.
TAE의 핵융합 플랫폼은 원형 전자석으로 둘러싸인 직선 길이 20미터의 튜브인 FRC(역장 배열)입니다. 플랫폼 양쪽 끝에서는 빠른 속도로 가스가 발사됩니다. TAE는 최종적으로는 수소와 붕소 혼합물을 사용할 계획이지만 충분한 온도에 도달할 때까지는 수소와 중수소를 사용하고 있습니다.
전자의 흐름은 충돌하고 모였다가 회전하기 시작합니다. 중앙 챔버 외부에 있는 8개의 가속기 빔들이 중성 입자(중수소)를 플라즈마에 발사하고 이는 플라즈마를 가열하고 계속 회전시킵니다. 플라즈마는 회전하면서 자체 자기장을 형성하고 이를 통해 플라즈마를 내부로 가둘 수 있게 합니다.
두 입자가 서로를 지나치며 날아갈 때 정면으로 충돌하여 융합될 가능성은 매우 낮습니다. 바로 그렇기 때문에 반응로가 플라즈마를 계속 내부에 가두고 순환시키는 것입니다. "그러면 입자가 충돌할 확률이 높아집니다." Romero의 말입니다. 그러나 문제는 플라즈마가 불안정하고 확산되기 쉽다는 것입니다.
FRC(역장 배열)의 상세 렌더링. 이미지 출처: TAE
현장 작업
반응이 계속 일어나게 하려면 지속적인 측정과 조정이 필요합니다. 챔버는 300개 이상의 전자기 센서로 둘러싸여 있으며 이 센서들은 반응로 안에 있는 플라즈마의 형상과 위치를 추론하는 데 사용됩니다. 커스텀 FPGA(Field-Programmable Gate Array)가 장착된 컴퓨터로 지속적으로 데이터를 수집하고 이 데이터를 사용해 전자석을 제어하여 플라즈마의 형상을 잡습니다. 전체적인 감지-반응 루프는 10마이크로초, 즉 천만분의 1초 이내에 이루어져야 합니다.
Norman은 감지와 제어를 위해 7대의 FPGA 기반 모듈을 사용하고 있습니다. 4대의 획득 모듈은 센서에서 나온 입력값을 받고 플라즈마의 현재 상태를 설명하는 20개의 숫자로 이 정보를 압축하여 통신 모듈에 전송합니다. 이어서 2대의 제어 모듈에 정보를 전송하고 제어 모듈은 플라즈마의 상태를 조정할 방법을 결정하여 전자석에 신호를 전달합니다. FPGA들은 모두 MATLAB® 및 Simulink®를 사용하여 프로그래밍되었습니다.
플라즈마 입자를 하나씩 측정하기란 불가능하기 때문에 시스템은 '상태공간' 안의 플라즈마 위치를 찾아 변수의 집합을 사용해 이를 표현합니다. 이는 사실상 플라즈마의 추상 모델과 다르지 않습니다. 획득 시스템은 수백 개의 전자기 센서에서 나온 입력값을 사용하여 20차원 상태공간에서 플라즈마의 위치를 찾는 역할도 합니다. 이 과정이 할당된 시간 안에 가능하다는 사실을 보여주기 위해, FPGA에서 10마이크로초 안에 1,000개의 숫자를 1,000개의 숫자와 곱하는 획득 알고리즘 설계를 MathWorks에 요청했습니다.
"저는 30년 넘게 FPGA를 설계해 왔지만 그렇게 빠르게 실행하게 만드는 일은 까다로웠습니다." MathWorks의 기술 컨설턴트인 Jonathan Young의 말입니다.
FPGA는 병렬 회로를 가지고 있기 때문에 프로그래머들은 각각의 단계가 시간 내에 모든 입력값을 받도록 계산 타이밍을 조율해야 합니다. Young은 Simulink를 사용해 논리 블록들을 이리저리 옮기고 가상 전선으로 연결하여 타이밍을 관찰했습니다. 마치 교통량을 줄이기 위한 도시의 도로망을 설계하는 것과 같았습니다. 이어서 MATLAB은 그 알고리즘을 FPGA를 구성하는 데 사용되는 코드로 변환했습니다.
"우리는 기본적으로 작업을 하면서 FRC 제어에 대한 책을 써 내려가고 있는 것입니다."
TAE에서는 필요할 때마다 반응로를 수정할 수 있어 빠르게 운용을 조정하고 새로운 아이디어를 수용하게 됩니다. 이미지 출처: TAE
마침내 계산 시간을 3마이크로초까지 줄일 수 있었습니다. "그렇게 많은 계산을 그렇게 빠르게 해낼 수 있다니 것이 정말 놀라운 부분입니다." Young이 말합니다. "TAE는 10마이크로초 안에 계산을 완료해야 했고 우리는 그 목표를 초과 달성할 수 있었습니다."
획득 모듈과 제어 모듈은 Xilinx® FPGA를 사용하여 Speedgoat로 설계했습니다. "그런 엄청난 셋업은 본 적이 없습니다." Speedgoat의 FPGA 기술 부문장인 Patrick Herzig의 말입니다. Norman은 7대의 모듈을 사용하는 반면, 일반적인 프로젝트에서는 1대를 사용합니다. TAE는 전자기 센서 이외에서 나오는 진단 신호까지도 포함할 계획입니다.
"우리는 플라즈마 밀도 등 더 많은 부분을 제어하기 위해 확장을 거듭하고 있습니다. 우리는 기본적으로 작업을 하면서 FRC 제어에 대한 책을 써 내려가고 있는 것입니다." Romero가 말합니다.
종착점은 청정
TAE는 꾸준히 성과를 내고 있습니다. 비록 초고온 플라즈마의 물리적 특성이라는 과제가 있지만 FRC의 장점은 기존의 원환체 형태 반응로에 비해 기계적으로 제작과 유지가 더 간단하다는 점입니다. Romero는 핵융합 장치 하나를 제작하기 전에 방문객들을 초청하고 텅 빈 방을 보여주었던 일을 회상합니다. Romero는 당시 이렇게 말했습니다. "여기서 이걸 구축하고, 몇 년 안에 모든 준비를 마칠 예정입니다." "이렇게 말했더니 절대 불가능하다는 반응을 보이더군요. 하지만 우리는 1년 뒤에 그들을 다시 초청했고, 이미 시스템이 가동된 상태였죠. 그들은 정말 놀라워했죠."
TAE의 최첨단 제어실. 이미지 출처: TAE
TAE는 이제 능동적으로 플라즈마를 제어할 수 있다는 사실을 증명했습니다. 또한, 출력을 더해도 온도가 상승을 멈추지 않아 실험이 확장 가능하다는 점도 보여주었습니다. 무엇이 가능한지에 대한 가장 어려운 질문에 답을 한 것입니다. 기본적인 아이디어가 잘못됐는데 무작정 규모를 키우지 않습니다. "우리는 먼저 실패하는 것에 대한 신념이 있습니다. 걸림돌을 끝까지 놔두면 안 되죠"라고 Romero의 말입니다.
TAE의 차세대 핵융합 장치인 Copernicus는 현재 개발 중에 있습니다. 이는 중수소-삼중수소 융합에 필요한 것과 비슷한 수준의 온도인 섭씨 약 1억 도에서 작동하도록 설계된 반응로 규모의 플랫폼입니다. (하지만 Copernicus는 삼중수소를 연료로 사용하지 않을 예정). 다음으로 TAE는 수소-붕소 연료 사이클에서 얻어내는 순 에너지를 시연하기 위해 Da Vinci라는 이름의 최종 프로토타입을 제작할 계획입니다. 즉, 투입한 에너지보다 많은 에너지를 반응로에서 생산하는 것입니다.
"우리는 비탄소 경제를 향한 혁신을 위해 종합 솔루션을 제공하는 일을 하고 있습니다."
간단한 실험 한 번을 실행하는 데 필요한 전력은 상업용 사무 공간에 할당된 전력보다 많습니다. 그래서 TAE는 전략적으로 전력을 저장하고 사용하는 전력 관리의 전문가가 되어야 했습니다. 현재 그러한 혁신 기술을 상업화할지 여부를 논의 중에 있습니다. TAE가 염두에 두고 있는 종착점은 핵융합 발전기 너머에 있습니다.
"우리는 발전 사업만 하는 게 아닙니다. 비탄소 경제를 향한 혁신을 위해 종합 솔루션을 제공하는 일을 하고 있습니다. 모든 전기를 제공한다고 해도 그것은 중요하지 않습니다. 여전히 석유를 쓰는 자동차를 갖고 있다면 문제를 해결하고 있는 게 아니죠"라고 Romero의 말입니다.
