대한민국이 '꿈의 에너지'로 불리는 핵융합 발전 상용화를 향해 전례 없는 속도전을 시작했다. 정부는 최근 당초 2050년대로 예상했던 실증 시점을 2040년으로 10년 이상 앞당기는 도전적인 로드맵을 확정했다. 그러나 이 같은 기술적 낙관론과 달리 다른 쪽에서는 핵융합의 경제성이 기존 기대보다 훨씬 낮을 수 있다는 냉정한 분석도 나온다. 기술적 성취와 경제적 현실 사이의 간극을 어떻게 좁힐 것인가가 핵심 과제로 부상하고 있다. ◇한국의 핵융합 연구개발 참여 상황 핵융합이 일어나려면 중수소와 삼중수소 가스에 강력한 전기장을 가해 이온화하거나 초고온으로 가열해 원자핵과 전자가 분리된 플라스마 상태를 만들어야 한다. 플라스마는 고체·액체·기체를 넘어선 '제4의 물질 상태'로, 수소의 원자핵과 전자가 분리된 채 초고온에서 격렬하게 움직이는 전하를 띤 입자들의 구름(집단)을 의미한다. 이후 1억℃ 이상의 극한 환경에서 플라스마 입자들이 서로 충돌해 하나의 무거운 원자핵으로 합쳐지는 핵융합 반응이 일어나는데, 이 과정에서 막대한 양의 열에너지가 방출된다. 이 에너지를 전력 생산에 활용하자는 것이 핵융합 발전의 원리다. 한국은 미국·중국·유럽연합(EU) 등과 함께 국제핵융합실험로(ITER) 건설에 참여하는 7개 회원국 중 하나다. ITER은 완공 시 세계에서 가장 큰 실험용 토카막 핵융합로가 될 전망이다. 이 장치는 도넛 모양의 반응로를 갖추고 있는데, 이를 '토카막'이라고 부른다. 토카막은 강력한 자기장을 활용해 1억℃에 달하는 초고온 플라스마를 도넛 모양의 진공 용기 내부에 가두어 핵융합 반응을 유도하는 핵심 장치다. 한국은 ITER 구성 부품 중 제작 난도가 가장 높은 진공용기의 4개 섹터 제작과 조달을 성공적으로 완료해 기술 신뢰도를 입증했다. 이 과정에서 1.6㎞ 길이의 고난도 용접과 수 ㎜ 이하의 오차 제어 기술을 확보했다. 한국 연구진은 또 초전도 자석에 들어가는 초전도 도체, 플라스마의 열을 차단하는 열차폐체, 조립 장구 등을 성공적으로 제작·공급하며 기술 주도권을 확보했다. 한국형 초전도 핵융합 연구장치인 KSTAR는 세계적으로 인정받는 연구 플랫폼이다. KSTAR는 1억℃의 초고온 플라스마를 장시간 유지하는 실험을 통해 ITER 초기 운전을 위한 데이터 기반을 마련하고 있다. 지난 2019년 1억℃의 초고온 플라스마를 8초간 유지했고, 2021년 30초, 2024년 48초를 유지했다. 올해는 300초 달성이 목표다. 최근에는 장치의 핵심 부품인 디버터 소재를 텅스텐으로 교체해 ITER와 동일한 환경에서의 고성능 운전 시나리오와 인공지능(AI) 기반 실시간 제어 기술을 검증 중이다. 이런 경험과 성과를 바탕으로 최근 정부는 핵융합 상용화 목표 시점을 당초 2050년대에서 2040년으로 10년 이상 앞당겼다. 상용화 기술을 선제적으로 검증하기 위해 ITER의 절반 크기(주 반경 4m)인 소형 핵융합 장치(CPD)를 2035년까지 건설하고, 2040년부터 전력 생산 기술을 실증할 계획이다. 주반경은 핵융합 장치의 중심축에서 플라스마가 머무는 공간의 중심까지의 거리로, 장치의 전체적인 규모와 건설 비용 및 기간을 결정하는 핵심적인 설계 지표다. 더불어 2035년까지 노심 플라스마 제어, 초전도 자석 등 8대 핵심 기술을 확보해 선진국과 대등한 수준의 기술력을 갖춘다는 로드맵도 수립했다. 이밖에 민간 참여를 확대하고 산업 생태계를 활성화하기 위해 91개 기관이 참여하는 '핵융합 혁신연합'을 출범시켰다. ◇“비용 절감 속도, 예상보다 4배 느리다" 하지만 태양이 밝을수록 그늘도 짙다. 지난달 스위스 취리히 공과대학 에너지기술정책 그룹 연구진은 국제 저널 '네이처 에너지 (Nature Energy)'에 발표한 논문에서 핵융합 산업의 비용 하락 속도가 심각하게 과대평가됐다고 지적했다. 논문의 핵심은 이른바 '경험률(Experience Rate)'이다. 경험률은 특정 기술의 누적 설치 용량이 두 배가 될 때마다 단위당 자본 비용(CAPEX)이 감소하는 일정한 백분율을 의미한다. 업계는 약 80% 이상의 급격한 비용 감소를 기대하지만, 취리히공대 연구진은 실제로는 약 28% 수준에 그칠 가능성이 높다고 분석했다. 이는 비용이 빠르게 낮아지기보다, 오히려 기존 원자력과 유사한 경로를 밟을 수 있음을 시사한다. 이 같은 비관적 전망의 배경에는 핵융합이 가진 구조적 특성이 있다. 먼저 거대한 설비 규모다. 경제성을 확보하려면 최소 500㎿급 이상의 대형 설비가 필요해, 모듈화와 대량생산이 어렵다. 두번째는 기술이 극도로 복잡하다는 점이다. 토카막 구조는 다층 구조로 얽혀 있어 설계 변경이 전체 시스템에 연쇄 영향을 미친다. 세번째는 표준화의 한계다. 입지 조건과 규제에 따라 매번 맞춤 설계가 요구된다. 결국 수조 원대 초기 투자비에 더해 비용 하락 속도까지 제한된다면, 그리고 실용화가 늦어진다면 핵융합은 이미 자리를 차지할 것으로 보이는 태양광·풍력 등 재생에너지와의 경쟁에서 밀릴 가능성을 배제하기 어렵다. ◇ITER 일정 9년 지연, 분담금 급증 이 같은 회의론에도 불구하고 한국은 정면 돌파 전략을 택했다. 전남 나주가 1조2000억 원 규모의 인공태양 연구시설 부지로 선정돼, 한국에너지공대(KENTECH)와 연계한 산학연 클러스터 조성이 추진되고 있다. 핵융합이 단순한 에너지 기술을 넘어 지역 산업 구조까지 재편할 수 있다는 전망이다. 그러나 현실은 녹록지 않다. ITER 프로젝트는 완공 시점이 2025년에서 2034년으로 9년 연기됐다. 이에 따라 한국의 분담금 규모도 1조6000억 원에서 약 2조9000억 원로 증가하며 재정 부담이 크게 확대됐다. 글로벌 경쟁도 가열되고 있다. 중국은 자체 실험로 'EAST(핵융합 유도 토카막 실험 장치)'를 통해 초고온 플라스마 장시간 유지 기록을 경신하며 상용화 시계를 앞당기고 있다. 미국에서는 '커멘웰스 핵융합 시스템 (Commonwealth Fusion Systems, CFS)'를 비롯한 민간 기업들이 대규모 투자를 유치하며 '민간 주도 핵융합' 모델을 구축 중이다. 핵융합이 더 이상 단일 국가의 연구 프로젝트가 아니라, 기술 패권 경쟁의 핵심 축으로 이동하고 있는 것이다. CFS는 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서 분사된 핵융합 스타트업으로, 이 회사는 빌 게이츠와 제프 베이조스, 구글 등으로부터 20억 달러(약 2조7000억 원) 이상의 대규모 투자를 유치해 민간 주도 핵융합 개발의 선두 주자로 평가받고 있다. 현재 '스파크(SPARC)'라는 자체 핵융합로를 개발 중이다. ◇“연구는 지속, 설계는 바꿔야 한다" 경제성 논란에도 불구하고, 전문가들은 핵융합 연구 중단이 아닌 '전략적 전환'을 강조한다. 핵심은 '현재 방식의 고집'에서 벗어나는 것이다. 먼저 현재 주류인 토카막 방식의 높은 복잡성과 거대 규모를 극복하기 위해 역전자기장 구성(FRC) 같은 새로운 설계 개념이 대안으로 제시되고 있다. 이러한 대안적 구조는 기존 방식보다 설계가 단순하고 단위 규모를 소형화할 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해 기술적 복잡성을 낮추어 비용 절감 속도(경험률)를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 둘째, 핵융합로 운영에 필수적인 삼중수소를 안정적으로 확보하는 방안을 찾아야 한다. 최근 수은을 사용하지 않는 친환경적인 리튬-6 농축 기술이 개발돼 삼중수소 연료 주기를 경제적으로 구축할 수 있는 길이 열리고 있다. 이와 더불어, 텅스텐 디버터와 같은 내열 소재를 활용해 초고온 플라스마로부터 장치 손상을 방지하는 기술을 확보하는 연구가 진행 중이다. 마지막으로 경제성 중심 설계를 위해 소형화와 모듈화를 기반으로 한 비용 절감 전략을 추진할 필요가 있다. 한국이 개발 중인 CPD는 주 반경을 기존 장치의 절반 수준으로 줄인 소형 장치로, 이를 통해 건설 비용을 획기적으로 낮추고 건설 기간을 단축해 민간 투자의 매력도를 높이는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 소형화 및 표준화 전략은 거대 장치 중심의 개발 방식이 가진 낮은 경제적 효율성을 보완할 수 있는 실질적인 대안으로 평가받는다. 이제 핵융합은 단순한 과학기술 프로젝트가 아니라 에너지 안보와 산업 전략이 결합된 국가적 과제로 떠오르고 있다. 한국은 세계적 수준의 기술력을 확보한 만큼, 속도 경쟁에만 매몰되기보다 경제성이라는 현실적 조건도 직시할 필요가 있다. 더 작고, 더 단순하며, 표준화 가능한 '혁신 핵융합'으로의 전환 없이는 상용화도, 시장 경쟁력도 담보하기 어렵기 때문이다. '인공태양'이 진정한 에너지 해법이 되기 위해 필요한 마지막 퍼즐은 기술이 아니라, 경제성일지도 모른다. 강찬수 기후환경 전문기자 kcs25@ekn.kr