핵융합 1편 : AI, 초전도체… 에너지 패러다임이 바뀌고 있다

 

핵융합은 인류가 꿈꾸는 궁극의 에너지입니다.

방사능도 없고, 연료도 거의 무한하며, 기후변화에도 영향을 주지 않는 완벽한 에너지죠. 최근 핵융합 기술은 빠르게 진화하고 있으며, 여기에 AI와 초전도체 기술, 민간 우주 산업까지 얽히면서 새로운 전기를 맞고 있습니다.

 

이번 글에서는 핵융합의 원리부터 현재 전 세계가 어디까지 왔는지, 그리고 AI 시대에서 왜 이 기술이 다시 조명받고 있는지까지 한 번에 정리해드립니다.

 

핵융합의 시작, 아인슈타인의 E=MC²

1905년, 26살의 아인슈타인은 특수상대성이론을 발표했습니다. 이때 등장한 유명한 공식이 바로 E=MC², 즉 질량-에너지 등가 법칙입니다. 이는 핵분열과 핵융합 모두의 이론적 토대가 되었죠.

 

 

핵융합은 두 개의 원자핵이 충돌해 더 무거운 원자핵으로 합쳐지는 과정에서 질량 일부가 사라지고, 이 사라진 질량만큼의 에너지가 중성자로 방출되는 원리입니다. 바로 이 원리로 태양은 스스로 빛과 에너지를 만들어내는 거대한 발전소가 되는 것입니다.

 

 

핵융합 발전이란, 바로 이 태양의 에너지 생성 과정을 지구에서 재현하는 것입니다.

 

지구에서 핵융합을 재현하려면, 태양보다 더 높은 온도가 필요합니다

문제는 지구에는 태양 중심부처럼 고압을 유지할 수 있는 조건이 없습니다. 그래서 원자핵들이 스스로 밀어내는 전자기적 반발력을 이기기 위해선 1억 도 이상의 고온 플라스마 상태를 인위적으로 만들어야 하죠.

 

플라스마는 전자와 원자핵이 분리된 고에너지 상태의 가스로, 이 상태가 되면 핵융합이 가능해집니다. 외부 에너지 없이 플라스마가 스스로 핵융합을 유지할 수 있는 상태가 되면, 이것이 바로 인공태양입니다.

 

국제 공동 프로젝트 ITER, 그리고 핵융합의 국가별 전략

1985년 유럽연합이 주도해 시작된 국제 핵융합 프로젝트 ITER(이터) 는 현재 프랑스 카다라쉬에서 진행 중입니다. 참여국은 미국, EU, 러시아, 일본, 중국, 인도, 그리고 한국까지 총 7개국이며, 약 300명의 과학자와 5,000여 명의 기술진이 함께하고 있습니다.

 

한국은 전체 예산의 약 9%를 부담하며 현대중공업, 두산에너빌리티 등이 주요 부품을 수주했습니다. 이 과정에서 국내 기업들도 핵융합 기술 기반 역량을 확보해가고 있죠.

중국은 ‘2028년 세계 핵융합 1위’를 선언하며, 허페이 지역에 국가주도 초대형 핵융합 실험시설 CFETR을 건설 중입니다. 여기에 CNNC 등 4개 국영기업이 경쟁적으로 핵융합 상용화 개발을 진행하며, 인력만 미국의 10배 수준을 투입하고 있습니다.

 

반면 미국은 다릅니다. 민간 중심의 핵융합 혁신이 특징이며, 이 분야 민간 투자금의 75%가 미국에서 집행되고 있습니다.

민간이 주도하는 핵융합 혁신: 샘 알트먼과 CFS

핵융합 발전의 대표적 민간 기업은 두 곳입니다.

첫 번째는 MIT가 설립한 CFS(Commonwealth Fusion Systems) 입니다. 이들은 핵융합 장치 ‘ARC’를 건설 중이며, 2025년부터 400MW 상용 발전소를 가동하는 것이 목표입니다. 2025년 7월, 구글이 CFS와 200MW 규모의 에너지 공급 계약을 체결했습니다.

 

빌 게이츠, 제프 베이조스가 약 20억 달러를 투자했으며, 2021년에는 투입에너지보다 출력이 더 많은 ‘순에너지 장치’ 개발 가능성을 수학적으로 입증하기도 했습니다.

 

두 번째는 샘 알트먼(OpenAI CEO)이 설립한 헬리온 에너지입니다. 그는 3억 7500만 달러의 사재를 투자했으며, 5년 내 상용화를 목표로 하고 있습니다.

 

왜일까요?

바로 AI가 엄청난 전력 수요를 만들어내고 있기 때문입니다.

 

AI는 에너지를 먹는다: 핵융합이 필요한 이유

AI가 고도화될수록 연산량이 폭증하고, 데이터 센터의 전력 소비가 기하급수적으로 늘고 있습니다. 2026년이면 데이터 센터 전력 소비량이 1,000TWh(테라와트시)를 넘어서며, 이 중 75% 이상을 AI가 소모할 것으로 전망됩니다.

 

이런 수요를 감당할 수 있는 건, 사실상 핵융합뿐입니다. 태양광이나 풍력만으로는 한계가 있으며, 탄소 배출 없이 대규모 전력을 안정적으로 공급하려면 청정한 고출력 발전원이 필요하죠. 핵융합은 이 조건에 유일하게 부합하는 에너지원입니다.

 

헬륨-3, 핵융합 연료를 찾아 달로 간다

기존 핵융합 연료는 중수소 + 삼중수소(D-T) 방식이 주류입니다. 하지만 삼중수소는 희귀하고 방사능도 발생하기에, 차세대 방식으로는 헬륨-3(He-3) + 중수소 조합이 주목받고 있습니다.

헬륨-3는 방사능이 없고, 1톤으로 석유 1,400만 톤에 해당하는 에너지를 생산할 수 있습니다. 미국 전체가 1년 동안 쓸 수 있는 전력을 만들려면 약 25톤이면 충분하죠.

 

하지만 헬륨-3는 지구에 거의 없습니다.

그래서 달에서 확보하려는 계획이 추진되고 있습니다. NASA의 아르테미스 프로젝트가 그 예이며, 일론 머스크의 스타십이 달에서 20톤을 실어 나를 수 있을 것으로 추정됩니다.

 

 

헬륨-3는 1kg당 약 1억 달러 가치로, 차세대 에너지자원이자 미래의 금광으로 불립니다. 하지만 1kg을 채굴하려면 달의 표토 3만 톤이 필요하기 때문에, 채굴 기술과 인프라 역시 핵심 과제가 됩니다.

 

상온 초전도체, 핵융합의 마지막 퍼즐

핵융합 기술의 상용화를 늦추는 또 하나의 장애물은 초전도체입니다. 플라스마를 가두기 위해선 강력한 자기장이 필요하고, 이는 곧 24시간 초전도체가 에너지를 소비 없이 자기장을 유지해야 한다는 의미입니다.

 

 

지금까지 초전도체는 영하 수백 도의 극저온에서만 작동했기 때문에, 오히려 초전도체 자체를 유지하는 데 막대한 전기가 소모되는 비효율이 있었습니다.

 

만약 상온 초전도체가 개발된다면?

• 플라스마 제어 비용 급감
• 데이터센터 발열 문제 해결
• 전력 손실 없는 슈퍼그리드
• AI 반도체 및 메모리 전력 효율 극대화

결과적으로 AI와 핵융합 모두 상온 초전도체와 만나야 비로소 진짜 상용화 시대가 열리는 것입니다.

 

핵융합은 더 이상 먼 미래가 아니다

 

2025년 10월 17일, 미국 에너지부(DOE)는 핵융합 에너지 상용화를 위한 국가 로드맵을 발표했습니다. CFS와 헬리온을 비롯한 민간 기업들이 주도권을 쥐고, 정부는 인프라와 제도 정비를 추진하겠다는 내용이 핵심입니다.

 

 

20세기 물리학이 이론을 만들었다면, 21세기 기술은 그 이론을 현실로 바꾸고 있습니다. 인공태양, AI, 초전도체, 그리고 민간 우주기업까지. 모든 것이 연결되어 에너지 패러다임의 대전환이 시작되고 있습니다.

 

핵융합은 더 이상 공상과학이 아닙니다.

지금 이 순간에도, 상업용 핵융합발전소 건설은 진행 중입니다.

 

핵융합 2편 : 미국 DOE 핵융합 로드맵 발표와 워런 버핏의 ‘숨은 한 수’

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