에너지 산업의 진화는 결국 효율과 지속 가능성으로 수렴한다. 핵융합은 그 두 축을 동시에 충족하는 유일한 발전 기술이다.
1. 핵융합 작동원리
핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하면서 질량의 일부를 에너지로 변환하는 반응이다. 태양과 별의 에너지가 바로 이 과정에서 나온다. 지구에서 인공적으로 이를 구현하려면, 원자핵들이 서로의 정전기적 반발력을 극복할 만큼 충분한 에너지를 가져야 한다. 이를 위해 연료인 중수소(D)와 삼중수소(T)를 1억 도 이상의 초고온으로 가열해 플라즈마 상태로 만든다. 플라즈마는 전자와 이온이 분리된 상태의 고온 가스로, 일반적인 물질과 달리 자기장으로 제어할 수 있다.
핵융합의 대표적인 반응식은 D + T → He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)이다. 반응 후 생성되는 헬륨 원자핵은 3.5 MeV의 에너지를 갖고 있고, 동시에 14.1 MeV의 고속 중성자가 방출된다. 전체 에너지의 약 80%가 중성자에 실려 나오기 때문에, 이를 활용해 열을 얻는 것이 핵융합 발전의 기본 구조다. 중성자는 전하를 띠지 않으므로 자기장에 구속되지 않고 외벽으로 향한다. 외벽에는 블랭킷이라 불리는 다층 구조가 설치되어 있고, 이곳에서 중성자의 운동에너지가 열로 변환된다. 이 열을 냉각재(헬륨 가스, 액체금속, 수소 등)에 전달해 터빈을 돌리거나, 고온 증기를 만들어 전력을 생산한다.
블랭킷은 단순한 열전달 장치가 아니라, 연료를 재생산하는 핵심 구조다. 내부에는 리튬이 포함되어 있으며, 중성자가 리튬과 반응할 때 새로운 삼중수소가 생성된다. 이 과정은 6Li + n → 4He + T + 4.8 MeV 형태로 진행된다. 이렇게 만들어진 삼중수소는 다시 플라즈마 반응로로 공급되어 연료 순환 고리를 완성한다. 이 순환이 안정적으로 이루어질 경우, 핵융합 발전은 외부 연료 투입 없이 자급이 가능해진다. 즉, 핵융합의 실질적 의미는 ‘무한한 연료의 순환적 이용’에 있다.
하지만 이 모든 이론적 장점은 플라즈마 제어가 전제되어야 한다. 플라즈마는 고온일수록 불안정해지고, 자기장 외부로 탈출하려는 성질을 가진다. 에너지가 조금만 불균형해도 내부 압력이 흔들리고, 그 결과 반응로 벽에 닿는 순간 열이 급격히 손실된다. 이를 막기 위해 여러 형태의 구속 장치가 고안되었다. 대표적인 방식이 토카막이다. 토카막은 도넛 모양의 진공 용기 안에서 강력한 자기장을 만들어 플라즈마를 원형 궤도로 감싼다. 유럽의 ITER나 한국의 KSTAR가 이 방식을 채택하고 있다. 또 다른 형태인 스텔러레이터는 외부 자기장을 복잡한 3차원 형태로 비틀어 전류 없이 플라즈마를 안정시키는 구조로, 독일의 Wendelstein 7-X가 대표적이다.
미국 기업들은 이와 다른 방식으로 시도하고 있다. TAE Technologies는 자기반전 플라즈마(Field-Reversed Configuration, FRC)를 이용한다. 이 방식은 토카막보다 구조가 단순하고, 대형 초전도 자석이 필요하지 않다. 반응실의 양쪽에서 플라즈마를 서로 충돌시켜 순간적으로 높은 온도를 형성하며, 이를 반복적으로 유지하는 방식이다. 헬리온 에너지는 FRC를 기반으로 하되, 플라즈마 압축과 반발 과정에서 발생하는 자기장을 직접 전류로 변환해 터빈을 생략한다. Zap Energy는 Z-Pinch라 불리는 전류 기반 압축 방식을 사용한다. 고전류를 플라즈마 중심으로 흘려 자기장을 스스로 형성하게 하는 방법으로, 이론적으로는 장치가 매우 간단하지만 제어 난이도가 높다.
2. 이번에도 미국
미국은 현재 전 세계에서 핵융합 상용화에 가장 근접해 있는 국가다. 이는 단순히 기술의 수준이 높기 때문이 아니라, 연구개발·자본·정책·산업이 하나의 폐쇄된 생태계로 연결되어 있기 때문이다. 다른 나라들이 핵융합을 아직 실험실 과학으로 다루는 반면, 미국은 이를 명확히 산업화 가능한 에너지 기술로 정의하고 있다.
핵융합에 대한 미국 정부의 접근은 일찍부터 전략적이었다. 에너지부(DOE)는 핵융합을 ‘기후 위기 대응과 에너지 안보를 동시에 달성할 수 있는 차세대 산업’으로 분류했고, 2024년 백악관 과학기술정책국(OSTP)과 DOE가 공동으로 발표한 ‘Bold Decadal Vision for Fusion Energy‘ 는 2030년대 상용화를 국가 목표로 제시했다. 이 로드맵의 특징은 연구와 산업을 명확히 분리하면서도, 상호보완적 구조로 결합시켰다는 점이다.
기초 물리 연구는 MIT PSFC, 프린스턴 플라즈마물리연구소(PPPL), 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 같은 공공 연구기관이 담당하고, 상용화와 장치 설계, 자본 조달은 민간 기업이 주도한다. ARPA-E는 초전도 자석, 열전달, AI 제어 등 핵융합 상용화의 병목을 직접 해소할 수 있는 프로젝트에 자금을 공급한다. 이 체계가 작동하기 시작하면서 민간 투자 규모는 폭발적으로 증가했다. 현재 전 세계 민간 핵융합 투자금의 약 70%가 미국으로 집중되어 있다.
MIT에서 분사한 Commonwealth Fusion Systems(CFS)는 고온 초전도체(REBCO) 자석을 사용해 기존 토카막보다 훨씬 작은 장치에서 동일한 자속밀도를 구현하는 SPARC 프로젝트 를 진행 중이다. 목표 시점은 2030년 이전이며, 이미 초전도 자석의 완전 운전 테스트에 성공했다.
헬리온 에너지는 FRC를 기반으로 플라즈마 압축과 팽창 과정에서 발생하는 자기장을 직접 전력으로 변환하는 방식을 개발하고 있다. 2028년에는 마이크로소프트와 전력 공급 계약을 체결해, 핵융합 전력을 시장 거래 대상으로 끌어올린 첫 사례로 평가된다.
TAE Technologies 는 수소–붕소 반응을 목표로 하는 장기형 프로젝트를 추진하며, 현재는 중수소 기반 FRC 장치 ‘코페르니쿠스’ 실증을 진행 중이다. Zap Energy는 Z-Pinch를 이용한 전류 구속 방식을 택하고 있으며, General Fusion은 자기화 타깃(MTF) 접근법을 실험하고 있다. 이처럼 다양한 기술이 병렬적으로 발전하면서, 미국은 하나의 기술에 집중하기보다 다중 경로 전략으로 리스크를 분산시켰다.
미국의 우위는 기술 그 자체보다 통합 능력에서 나온다. DOE와 ARPA-E가 기초 연구를 지원하고, 민간 벤처 캐피털과 대기업이 자금을 투입하며, IRA와 CHIPS 법이 세액공제 및 보조금 인센티브를 제공한다. 여기에 국방부(DARPA)와 NASA의 극한 환경 기술이 이전되면서, 핵융합 산업 전반이 ‘국가 단위의 융합 프로젝트’로 작동한다.
프린스턴 PPPL은 자기 구속 플라즈마의 안정화 조건을 연구하고, Oak Ridge 국립연구소는 고중성자 환경을 견딜 내방사선 재료를 개발한다. MIT와 로스앨러모스 국립연구소(LANL)는 고온 초전도 자석의 냉각 효율과 자기장 제어 알고리즘을 담당하며, 구글 딥마인드는 플라즈마의 실시간 안정화에 AI 모델을 적용하고 있다. 이처럼 서로 다른 기관이 한 생태계 안에서 연구–개발–산업화로 이어지는 완결 구조를 형성하고 있다는 점이 미국의 결정적 강점이다.
또한, 미국은 ‘기술 내재화’와 ‘표준 선점’을 동시에 추진하고 있다. DOE는 2024년 ‘Global Fusion Industry Initiative’를 출범시켜 영국, 일본, 한국, 캐나다 등과 협력 체계를 구축하고 있으며, 향후 핵융합 안전 기준, 에너지 거래, 연료 순환 시스템의 표준을 미국 중심으로 통일하려는 움직임을 보인다. 이는 과거 석유·가스 산업에서 OPEC이 수행했던 역할을 기술 규범 차원에서 재현하려는 시도로 볼 수 있다.
핵융합 패권의 본질은 ‘자원을 얼마나 보유했느냐?’가 아니라, ‘기술을 얼마나 통합적으로 운영할 수 있느냐?’에 있다. 플라즈마 물리, 초전도, 고내열 재료, AI 제어, 전력 변환, 제조 자동화까지 모든 공정이 동시에 발전할 수 있는 나라는 현재 미국 외에 없다. 유럽은 과학적 깊이는 뛰어나지만 공공 중심 구조로 속도가 느리고, 일본은 정밀공학이 우수하지만 민간 투자 규모가 작으며, 중국은 대형 인프라 구축은 빠르지만 독립적 혁신 생태계가 부족하다.
미국은 이들 요소를 모두 결합시켜 상용화 일정이 최소 10년 이상 앞서 있다. 연구, 자본, 기술, 규제, 산업이 하나의 네트워크로 엮여 작동하기 때문이다.
3. TAE와 옥시덴탈의 MOU
TAE Technologies와 Occidental Low Carbon Ventures(OLCV)의 협력은 핵융합이 순수 연구 단계를 넘어 산업 응용으로 이동한 실질적 사례로 평가된다. 2023년 11월 체결된 양사의 MOU는 단순한 기술 교류가 아니라 에너지 공급자–수요자 관계를 전제로 한 협약이다. 핵심은 명확하다. TAE가 개발 중인 핵융합 에너지를 옥시덴탈이 운영하는 DAC(Direct Air Capture) 설비의 열원과 전력원으로 공급할 수 있는지를 공동 실증한다는 내용이다.
이 협약에서 가장 중요한 점은 옥시덴탈이 핵융합 발전을 하는 주체가 아니라, TAE로부터 에너지를 ‘공급받는 수요자’라는 점이다. 일부에서 ‘옥시덴탈이 핵융합 사업에 직접 진출한다’는 오해가 있지만, 실제로는 전혀 다르다.
TAE가 핵융합 장치(현재는 코페르니쿠스, 이후 상용 단계 다빈치)를 통해 생산하는 에너지를 옥시덴탈이 구매하거나 장기 계약(PPA) 형태로 사용하는 구조가 최종 목표다. 다시 말해, 핵융합 발전으로 생기는 수익은 TAE가 가져가며, 옥시덴탈이 얻는 수혜는 ‘무탄소 에너지원을 확보한다’는 점이다. 옥시덴탈은 발전사업자가 아니라 에너지 소비자이자, 자사 탄소포집 인프라의 효율을 높이기 위한 기술 수요자에 가깝다.
이 MOU가 중요한 이유는 옥시덴탈의 DAC 공정 특성 때문이다. DAC은 대기 중의 CO2를 흡착제에 결합시킨 후, 이를 고온에서 재생시켜 순수 CO2를 포집하는 방식이다. 공정 온도는 200~900도에 달하며, 흡착제의 재생과 압축에 대량의 전력이 필요하다. 지금까지 대부분의 DAC은 천연가스 연소열과 전력망 전기를 혼용했기 때문에, 공정 자체가 탄소를 배출하는 구조적 한계를 가지고 있었다. 옥시덴탈은 이를 제거하기 위해 무탄소 열원을 찾고 있었고, TAE의 핵융합이 그 대안으로 제시된 것이다.
핵융합 에너지는 연료 연소가 없기 때문에 CO2 배출이 전혀 없고, 열과 전력을 동시에 제공할 수 있다. 특히 TAE의 FRC 방식은 고온 열을 직접 생산할 수 있어, DAC의 흡착제 재생 과정에 필요한 안정적 고열 공급이 가능하다. 이 점에서 TAE의 기술은 태양광이나 풍력처럼 간헐적인 재생에너지보다 훨씬 DAC 공정에 적합하다. 결과적으로, 옥시덴탈은 핵융합을 통해 완전한 탄소 음(-) 배출형 DAC 시스템을 구축할 수 있는 가능성을 확보하게 된 셈이다.
다만 이 MOU는 아직 상업 전력 공급 계약이 아니다. 현재 단계는 기술적 타당성을 검증하고, 핵융합 장치가 DAC의 에너지 요구 조건(온도, 안정성, 전력 밀도)을 충족할 수 있는지를 확인하는 공동 연구 수준이다. 하지만 구조적 방향성은 명확하다. TAE는 이 협약을 통해 “핵융합 전력을 실제 산업 부문에 판매할 수 있다”는 상업적 가능성을 입증하고, 옥시는 자사의 DAC 인프라를 진정한 무탄소 체계로 전환할 수 있다. 이 조합은 핵융합이 단순한 발전 기술을 넘어 탄소 관리 산업의 에너지 엔진으로 통합될 수 있음을 보여주는 실증 모델이다.
한편 일부에서는 워렌 버핏이 옥시덴탈 지분을 확대한 배경 중 하나로, 이러한 핵융합 협력을 염두에 두었을 가능성을 언급하기도 한다. 버핏이 장기적으로 옥시덴탈의 저탄소 전환 전략과 탄소크레딧 수익 구조를 높게 평가했다는 분석은 타당하다. 그러나 옥시덴탈이 TAE를 통해 직접적인 핵융합 발전 수익을 얻는 것은 아니다. 옥시덴탈은 핵융합의 수혜자이지만, 생산자가 아니다. 핵융합 발전소의 건설과 운전, 에너지 판매로 발생하는 경제적 이익은 TAE의 영역이며, 옥시덴탈은 그 에너지를 구매해 자사 DAC 설비에 적용하는 위치에 있다.
4. 샘 올트먼과 헬리온 에너지
헬리온 에너지의 성장 과정에서 가장 주목받는 인물은 샘 올트먼(Sam Altman)이다. 그는 오픈AI의 CEO로 잘 알려져 있지만, 2015년부터 헬리온의 최대 투자자이자 회장직을 겸하고 있다.
헬리온이 추구하는 핵심 기술은 직접 전력 변환(Direct Energy Conversion) 이다. 일반적인 발전 방식은 플라즈마에서 발생한 열을 물을 끓여 증기 터빈을 돌리고, 그 운동을 다시 전기에너지로 바꾸는 간접 구조다. 하지만 헬리온은 플라즈마 압축과 팽창 과정에서 발생하는 자기장 변화를 직접 전류로 변환한다. 이때 플라즈마는 강력한 자기장 내에서 앞뒤로 진동하며 압축–반발을 반복하고, 이 주기적인 자기장 변동이 발전기 코일을 통과하면서 전류가 유도된다. 터빈과 증기 사이클이 필요 없기 때문에 에너지 손실이 극단적으로 적고, 시스템의 크기와 복잡성이 크게 줄어든다. 이 구조는 효율뿐 아니라 경제성 면에서도 혁명적이다. 기계적 회전 부품이 없으므로 유지비가 낮고, 고온 열교환기가 필요하지 않아 플랜트 규모도 작아진다.
또 하나의 구조적 특징은 ‘소형화’와 ‘모듈화’다. 한 모듈당 수십 메가와트(MW) 단위의 출력을 내며, 필요에 따라 병렬로 확장할 수 있다. 이 점은 대형 토카막 방식과 달리 분산형 에너지 인프라 구축이 가능하다는 의미다. 헬리온은 이 설계를 통해 발전소 개념을 분산형 전력 생산 장치로 전환시키고자 한다. 또한 헬리온은 D-3He(중수소–헬륨3) 반응을 최종 목표로 하고 있다. 이 반응은 중성자를 거의 발생시키지 않아 방사선 문제가 없으며, 발전 효율이 높다. 만약 이 단계까지 기술이 진전된다면, 헬리온은 기존 원전보다 훨씬 단순하고 안전한 전력원을 제공할 수 있게 된다.
헬리온은 이러한 기술적 강점을 기반으로 2028년부터 마이크로소프트에 전력을 공급하는 계약을 체결했다. 이 계약은 핵융합이 실험실 단계를 넘어 시장 계약의 대상이 된사례다. 아직 상업적 전력 공급이 실제로 이뤄진 것은 아니지만, 마이크로소프트가 헬리온의 전력을 구매하기로 한 사실 자체가 핵융합의 산업적 신뢰성을 상징한다. 즉, 에너지 시장에서 핵융합이 ‘잠재 기술’이 아닌 ‘거래 가능한 에너지원’으로 인식되기 시작한 것이다.
올트먼은 핵융합이 성공해야 AI 산업이 지속적으로 확장될 수 있다고 본다. AI는 연산 능력의 확장을 위해 전력을 기하급수적으로 요구하고, 이미 데이터센터 전력소비는 국가 단위 수준에 이르렀다. 현재의 전력 인프라로는 그 수요를 감당할 수 없으며, 이 한계를 해소하지 못하면 AI 발전은 결국 물리적 제약에 부딪힌다. 올트먼은 헬리온을 통해 그 병목을 제거하려는 것이다. 핵융합이 상용화되면 데이터센터, 반도체 공장, 산업 단지 등이 자급형 에너지 체계로 전환될 수 있고, 이는 AI와 산업 전체의 구조를 다시 설계할 수 있는 수준의 변화다.
5. 마무리
핵융합은 탄소중립을 넘어 에너지 희소성을 종식시키는 기술이다. 연료는 바닷물과 리튬 같이 지구 어디서나 존재하며, 폐기물과 탄소 배출이 거의 없다. 핵융합이 완전히 상용화되면 단가는 기존 발전 방식보다 낮고, 에너지 공급의 변동성 자체가 사라진다. 이 변화는 국가의 부존 자원이 아닌 기술 역량이 에너지 패권을 결정하는 새로운 질서로 이어진다.
PS – 미국의 시스템은 인류가 만들어낸 시스템 중 가장 완벽에 가까운 시스템인 것 같다.
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