병 속의 번개: 잽 에너지의 꾸준한 노력이 핵융합의 판도를 바꿀 수 있는 방법
지속 출력 20배 증가는 인상적이지만, 진짜 이야기는 회사가 말하지 않는 것에 있다.
워싱턴주 에버렛 — 가정용 온수기보다 그리 크지 않은 진공 챔버 안에서, 잽 에너지(Zap Energy)는 핵융합 세계에서 거의 헤드라인을 장식하지 못하는 목표를 조용히 추구해 왔다. 바로 화려하지 않은 부품들을 작동하게 만들고, 그것들을 매번 작동하게 만드는 것이다.
오늘 이 민간 핵융합 스타트업은 자사의 센추리(Century) 테스트 플랫폼이 이제 0.2Hz로 작동한다고 밝혔다. 즉, 5초마다 한 번의 플라즈마를 발사하는 것이다. 각 펄스는 순환하는 액체 비스무트로 채워진 챔버에 500킬로암페어의 전류를 보낸다. 이 장비는 39킬로와트의 직접 챔버 출력을 유지하며, 이는 2024년 대비 20배 증가한 수치다.
그러나 이번 발표에는 핵융합 팬들이 듣고 싶어 하는 단어인 돌파구는 빠져 있다. 잽 에너지는 순 에너지 이득, 세계 기록 플라즈마 조건, 심지어 핵융합 그 자체도 주장하지 않는다. 센추리는 실제 핵융합 반응의 연료인 중수소-삼중수소 혼합물이 아닌, 일반 수소 또는 헬륨으로 작동한다. 중성자는 방출되지 않는다. 에너지는 증폭되지 않는다.
이러한 자제가 이 이야기의 가장 의미심장한 부분일 수 있다.
번개처럼 끊임없이 충격을 가하는 기계
이렇게 생각해보자. 각 플라즈마 펄스는 벼락 전류의 약 20배에 달하는 전류를 주방 가전제품 안에 넣을 수 있는 공간으로 압축한다. 액체 루프는 1,134킬로그램(2,500파운드)의 비스무트를 챔버를 통해 밀어 넣는데, 이때의 속도와 온도는 일반적인 재료를 파괴할 수준이다. 모든 균형을 유지하기 위해 맞춤 제작된 공랭식 열교환기는 200킬로와트의 열을 빠르게 제거하고, 액체 금속 팁 전극은 이 거대한 펄스의 강타를 견뎌낸다.
2024년 6월 가동을 시작한 이래 센추리는 다양한 설정으로 10,000회 이상 발사되었다. 지난 2월, 에너지부는 이 장비가 3시간 동안 연속으로 1,080회 발사를 성공적으로 수행한 캠페인을 승인했는데, 이는 에너지부의 12억 달러 규모 이정표 기반 핵융합 개발 프로그램(Milestone-Based Fusion Development Program)의 초기 이정표다.
이러한 성과는 의도적으로 겸손하게 느껴진다. 다른 연구소와 회사들이 기록적인 성과나 공격적인 일정표를 대대적으로 홍보하는 반면, 잽 에너지는 전극 냉각 시스템과 액체 금속 안정성에 대해 이야기한다. 이는 화려한 헤드라인을 장식할 만한 내용은 아니지만, 미래의 발전소를 성공시키거나 실패하게 만드는 바로 그런 세부 사항이다.
아무도 보지 못하는 부품들을 만드는 일
잽 에너지의 시스템 엔지니어링 담당 부사장 매튜 톰슨(Matthew Thompson)은 이렇게 명확하게 말했다. "센추리의 실제 테스트는 우리가 가장 어려운 상용 기술 문제들 중 많은 부분을 이미 식별하고 해결하기 시작했음을 의미합니다." 단어 선택에 주목해야 한다. 해결하는 중이지 해결된 것이 아니다. 이것은 장기적인 게임이다.
센추리가 진정으로 보여주는 것은 통합이다. 이는 펄스 핵융합을 위한 세 가지 필수 기술을 결합한다. 수천 번 발사해도 고장 나지 않는 전력 시스템, 강렬한 열을 흡수하는 액체 금속 벽, 그리고 어떤 고체 재료도 견딜 수 없는 조건에서 살아남을 만큼 튼튼한 전극이다.
이 중 어느 것도 화려하지 않다. 엔지니어들은 로렌츠 힘이 액체 금속에 어떻게 잔물결을 일으키는지, 비스무트 증기가 플라즈마를 오염시키는 것을 어떻게 막는지, 펄스 전력 커패시터가 끊임없는 발사를 어떻게 견디는지, 그리고 전극 설계가 수백만 번의 발사에도 침식에 어떻게 저항하는지 고심한다. 이는 마치 배관 공학이나 다름없다. 지저분하지만 필수적이고, 제대로 작동할 때는 보이지 않는다.
지난달 *핵융합 과학 및 기술(Fusion Science and Technology)*에 발표된 동료 심사 논문은 센추리의 설계와 초기 운전을 상세히 설명하며, 잽 에너지가 과장된 광고보다 체계적인 공학을 선호한다는 점을 강조한다.
왜 비스무트인가, 그리고 그것이 중요한 이유
챔버 벽 재료로 비스무트를 선택한 것은 잽 에너지의 전략에 대해 많은 것을 말해준다. 비스무트는 전기를 전도하고, 표면을 보호하며, 진공 상태에서도 끓어오르지 않고 열을 전달한다. 이는 연구자들이 실제 발전소에서 볼 수 있는 조건과 유사한 환경에서 액체 금속 수리학, 자기유체역학, 열 관리를 탐구할 수 있게 해준다.
하지만 비스무트에는 큰 단점이 있다. 핵융합 연료인 중수소와 결합하는 방사성 동위원소인 삼중수소를 증식시킬 수 없다는 것이다. 실제 발전소에서는 이를 위해 리튬 기반 냉각재가 필요하다. 따라서 센추리는 삼중수소 생산, 중성자 손상, 엄격한 규제와 같은 까다로운 문제들을 회피한다. 사실상 이는 엔지니어들이 핵연료 주기 관련 질문은 나중으로 미루고 '플랜트 보조 시스템(balance of plant systems)'을 스트레스 테스트하는 실험장(sandbox)인 셈이다.
이는 센추리가 잽 에너지의 핵융합 개념, 즉 전류가 흐르면서 생성되는 자기장으로 플라즈마를 압축하는 전단 흐름 안정화 Z-핀치(sheared-flow-stabilized Z-pinch)를 직접적으로 증명하지 않는다는 의미다. 이를 위해 잽 에너지는 중성자를 생성하는 별도의 장비인 퓨즈(FuZE)를 사용한다. 센추리는 핵심 불꽃이 아니라 보조 구조물에 관한 것이다.
경쟁 심화
잽 에너지의 발표는 핵융합에 대한 논의가 전환점을 맞이하는 시점에 나왔다. 바로 작년에 헬리온 에너지(Helion Energy)는 마이크로소프트와의 계약에 힘입어 2028년까지 전력 공급을 목표로 워싱턴주에 세계 최초의 민간 자금 지원을 받는 계통 연결 핵융합 발전소 착공에 들어갔다. 한편, 제너럴 퓨전(General Fusion)은 향후 몇 년 안에 핵융합 이득을 보여주기 위해 LM26 시연 발전소를 건설 중이다.
이러한 거대한 약속들과 비교할 때, 잽 에너지의 하위 시스템(subsystems)에 대한 집중은 다소 실망스럽게 보일 수 있다. 그러나 액체 금속 공학과 반복적인 펄스 전력 분야에서 잽 에너지는 조용히 자신이 선두 주자들 중 하나임을 증명하고 있다. 업계 관측통들은 액체 금속 벽에 대한 잽 에너지의 연구가 대부분의 공공 프로그램이 달성한 수준을 이미 능가할 수 있다고 말한다.
하지만 오늘날 시장에서 기술적 장점만으로는 충분하지 않다. 투자자와 고객, 특히 깨끗하고 안정적인 전력을 갈망하는 데이터센터는 커패시터 뱅크보다는 전력 공급 계약에 더 관심을 기울인다. 핵융합 부문은 53개 회사에 걸쳐 97억 달러를 유치했으며, 지난 한 해 동안에만 26억 4천만 달러를 조달했다. 자본은 계통 연결에 가장 근접해 보이는 기업들로 향하고 있다.
현재와 계통 연결 사이의 간극
센추리의 39킬로와트 챔버 출력은 실제 발전소에 필요한 메가와트나 기가와트와는 거리가 멀다. 이 간극을 메우는 것은 단순히 규모를 확대하는 문제가 아니다. 이는 플라즈마 물리학, 재료, 시스템 설계 분야의 근본적인 문제들과 씨름하는 것을 의미한다.
상업용 발전소는 초당 1회에서 10회에 이르는 반복률을 수개월간 유지해야 할 것이다. 이는 커패시터, 스위치, 전극에 매우 가혹한 환경이다. 0.2Hz에서 견디는 부품들도 초당 10회 발사에서는 빠르게 마모될 수 있다. 그리고 실제 핵융합에서 나오는 중성자가 등장할 경우, 전극과 벽은 아무도 완전히 해결하지 못한 방식으로 열화된다.
투자자들이 주목해야 할 점
후원자들에게 센추리의 진전은 일반적으로 펄스 핵융합에 대한 기술적 위험을 낮춘다. 이는 액체 금속 벽과 반복적인 전력 시스템이 의미 있는 규모로 작동할 수 있음을 보여준다. 이는 잽 에너지뿐만 아니라 유사한 아이디어를 추구하는 모든 회사에 대한 신뢰를 높인다.
시장 동향 또한 핵융합에 유리하게 작용한다. 데이터센터, 공장, 유틸리티 기업들은 24시간 내내 공급되는 깨끗한 전력을 절실히 원한다. 역사적으로 새로운 에너지 기술이 스스로를 증명한 후 구매자들이 대규모로 투자를 결정하기까지는 5년에서 10년이 걸린다. 핵융합의 개발 일정이 예정대로 진행된다면, 2030년대는 핵융합이 마침내 시장에 진입하는 10년이 될 수 있다.
하지만 투자자들은 기억해야 한다. 센추리는 중성자 내성 재료, 삼중수소 증식 또는 완전한 핵연료 주기와 같은 가장 어려운 질문에 답하지 않는다. 이러한 난제를 먼저 해결하고 이를 통합된 기계에서 시연하는 회사들이 가장 높은 가치를 인정받을 가능성이 크다.
향후 전망
잽 에너지의 다음 단계는 점진적이지만 중요하다. 엔지니어들은 센추리를 더 빠른 반복률(아마 1Hz)과 더 높은 출력 수준(100킬로와트 초과)으로 추진할 계획이며, 여전히 핵융합이 아닌 가스를 사용할 것이다. 이를 통해 핵융합 등급 영역으로 진입하기 전에 배관 및 냉각 시스템을 개선할 수 있다.
궁극적으로 잽 에너지는 리튬 냉각재, 중성자 환경, 삼중수소 처리를 다루어야 할 것이다. 그때까지 센추리는 덜 화려하지만 미래의 어떤 발전소에도 필수적인 기술들을 시험하는 시험대 역할을 할 것이다.
핵융합 부문은 과학 프로젝트에서 산업적 벤처로 전환하고 있다. 성공은 물리학적 돌파구보다는 계약 체결, 허가 획득, 발전소 건설과 같은 공학적 노고에 더 많이 달려 있을 것이다. 핵융합이 마침내 계통에 전력을 공급할 때, 그것은 단 한 번의 발견의 번개와 함께 찾아오지 않을 것이다. 그것은 수천 번의 테스트가 꾸준히 반복되는 과정에서 비롯될 것이며, 각 테스트는 번개가 그저 치는 것을 넘어 우리 집의 전력을 공급하는 날로 기술을 한 걸음 더 가깝게 만들 것이다.
투자 조언 아님