핵융합 스타트업 Inertia Enterprises는 연료 펠릿 제조에 필요한 시간을 공정의 일부 단계에서 며칠에서 몇 분으로, 전체 공정을 기준으로 펠릿 하나당 일주일 이상에서 약 2~3시간으로 단축했다고 밝혔다. 회사는 이러한 발전이 수익성 있는 상업용 핵융합 발전소를 건설하기 전에 극복해야 할 10가지 장애물 중 하나를 제거한다고 보고 있다.
Inertia는 Lawrence Livermore 국립연구소에 소속된 복잡한 연구 시설인 국립점화시설(National Ignition Facility - NIF)에서 개발된 기술에 의존한다. NIF에서 연료 펠릿을 제조하는 데는 일주일 이상이 걸리고 많은 비용이 들었다. 이 시설은 산업 규모의 발전소에 연료를 공급하기 위해서가 아니라 실험 목적으로 매년 제한된 수의 펠릿을 생산하기 때문이다.
실험 모델에서 제조 가능한 공정으로
공동 창립자이자 최고경영자인 Jeff Lawson은 Inertia가 NIF의 펠릿을 대량 제조할 수 있는 제품으로 전환해야 하는 시제품으로 보았다고 말했다. 이에 따라 회사는 Apple과 같은 기업에서 채용한 직원들을 포함한 산업 엔지니어들을 영입해 공장 내 반복 생산에 적합하도록 공정을 재설계했다.
펠릿은 구형 다이아몬드 껍질과 그 뒤를 잇는 동결된 중수소와 삼중수소의 얇은 층으로 구성된다. 중수소와 삼중수소는 핵융합 연료로 사용되는 수소의 동위원소다. 결정층에는 두 동위원소의 기체 혼합물이 들어 있다. 층은 이상적인 구형에 매우 가까워야 한다. 작은 결함도 점화 과정을 방해하고 생성되는 에너지를 제한할 수 있기 때문이다.
그런 다음 펠릿은 hohlraum으로 알려진 금색 껍질로 덮인다. 이 껍질은 레이저 에너지를 연료를 압축하는 X선으로 변환한다. 공정이 성공하면 원자가 융합해 에너지를 방출한다. 따라서 Inertia는 NIF 실험을 통해 입증된 물리적 특성에서 크게 벗어나지 않으면서 제조 속도를 높여야 했다.
실제로 무엇이 달라지는가?
여러 차례의 개발을 거친 뒤 회사는 NIF에서 최대 일주일이 걸릴 수 있었던 결정 성장을 약 30분 만에 완료할 수 있게 됐다고 밝혔다. 또한 공공·민간 부문 파트너십을 통해 NIF와 협력해 공정을 개발했으며, 이 공정이 산업 규모로 확장 가능하다고 말한다.
Inertia는 현재 NIF에 있는 레이저보다 출력이 4배 높은 레이저를 사용할 계획이다. 회사는 추가 에너지가 더 큰 여유를 제공해 펠릿의 일정 수준의 결함을 허용할 수 있다고 말하며, 이것이 제조 시간 단축에도 도움이 됐다고 설명한다. Lawson에 따르면 레이저 출력 증가는 시스템의 다른 구성 요소에도 운용 여유를 제공하려는 회사 전략의 일부다.
단축이 삼중수소와 발전소 규모에 미치는 영향
펠릿 제조 속도 향상의 영향은 생산성에만 국한되지 않는다. 삼중수소는 취급 시 특별한 주의가 필요한 방사성 물질이며 매우 비싸다. Science지에 따르면 가격은 그램당 약 3만 달러이고, 전 세계 비축량은 약 25킬로그램에 불과하다.
Inertia는 핵융합 반응을 이용해 자체적으로 삼중수소를 생산할 계획이지만, 가동을 시작하려면 초기 비축량이 필요하다. 펠릿 제조 시간을 줄이면 어느 시점에서든 보유해야 하는 삼중수소의 양이 감소한다. 회사는 대규모 상업용 발전소가 초당 10개의 연료 펠릿을 소비할 것으로 예상한다. 이에 따라 제조 및 저장 시간은 시설의 규모와 효율성에 영향을 미치는 실질적인 요소가 되지만, 수익성 있는 발전소에 도달하기 위해 필요한 나머지 과제를 이것만으로 해결할 수 있는 것은 아니다.