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[이슈분석 214호] 주요국의 핵융합 R&D 정책 및 시사점
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주요국
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핵심R&D분야
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생성기관명
한국핵융합에너지연구원
등록일
2022-05-13
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2022-05-13
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214

1. 개요


□ 탄소중립과 관련된 국가별 정책이 강화되고 일정이 구체화되면서 미래의 저탄소 발전원에 대한 관심도 증가에 따라 핵융합의 역할이 중요


º 영국은 ’40년 핵융합 상용화, 미국은 ’35’40년 파일롯 플랜트 건설을 선언하는 등 저탄소 발전을 위한 주요 정책 도구로 핵융합을 인식


- 영국은 녹색산업혁명 10대 계획 중 하나로 핵융합 상용화를 목표로 제시하고. 입지선정, 각종 연구시설에 투자하는 등 선도적인 정책을 추진 중이므로 이에 대한 세부적 확인 필요


- 미국이 구체적 일정을 밝히며 민관 파트너십에 의한 상용화 달성을 위해 R&D 투자를 대폭 증가시키고 있기 때문에 이에 대한 검토 필요


- 미국이 민관 파트너십을 강조하는 이유는 NASASpace X의 협업에 의한 우주왕복선 등의 성공에 고무되어 새로운 투자기회로 인식


º 중국은 탄소중립과 연관된 핵융합의 구체적 역할을 명시하지 않고 있으나 중국 정부의 ’50년대 상용화 의지와 그에 따른 연구개발 투자는 명확함


- 중국은 상용화 연구시설 단지를 완공하고 추가적 핵융합연구장치 건설을 선언하면서 실제적인 투자를 진행하고 있어 적극적 정책의지 명확


º EU, 일본은 기존 R&D 전략*에 변화는 없으나 주요한 연구장치의 건설이나 거버넌스 변화 등은 지속적으로 주시해야할 사항

* EU, 일본의 핵융합 연구개발 로드맵에 세부적인 내용은 ‘KISTEP(2020) 핵융합 에너지, KISTEP 기술동향브리프 2020-11참조


□ 한국은 ’22’26년 기간 4차 핵융합에너지개발진흥기본계획을 수립하고 주요국가의 공격적 R&D 투자에 대응 중이며 새 정부의 국정과제에 포함


º 4차 기본계획에서 그동안 중장기 일정에 대한 이해관계자 간의 구체적인 공동인식의 토대를 마련한 점과 8대 핵심기술을 명확화한 것이 유의미


- 8대 핵심기술은 EU, 일본, 영국, 중국 등의 R&D 대상기술과 유사하게 인식되었으나 상황에 따라서 다소간의 차이가 발생할 수 있는 여지를 줄일 수 있도록 명확하게 범위와 내용을 지정


2. 주요국의 핵융합 R&D 정책


가. 영국


□ 녹색산업혁명 10대 계획을 수립하고 중요한 정책도구로 핵융합을 지정하면서 ’40년까지 핵융합의 상용화 달성 선언*


* 영국의 탄소중립과 핵융합의 역할에 대한 세부사항은 KISTEP(2021) 영국의 탄소중립 정책과 한국의 시사점, 이슈분석 192참조


º 10대 계획의 후속조치로 핵융합 상용화를 위한 국가전략*을 수립하고 전력 공급이 가능한 핵융합발전소 건설과 수출산업화 목표 설정

UK Department of BEIS(2021), Towards Fusion Energy The UK Government’s Fusion Strategy


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- 목표 달성을 위한 국제적, 과학적, 상용화 리더십을 각각 확보하기 위한 세부계획을 제시


- (국제적 리더십) 국제협력을 통해 핵융합 상용화를 가속하여 비용과 위험을 줄이되, 영국의 지적재산권과 경쟁력은 유지


- (과학적 리더십) JET, MAST upgrade를 활용한 플라즈마 과학, MRF*를 활용한 재료공학, H3AT**의 삼중수소기술, RACE***의 로봇기술, FTF****에 의한 핵융합 공학기술 연구로 리더십 강화

* MRF(Material Research Facility) 핵융합로 건설을 위한 재료 시험 설비

** H3AT(Hydrogen-3 Advanced Technology) 핵융합의 연료인 삼중수소 처리시설로 중저준위 물질에 대한 탈삼중수소(detritiation) 설비 등이 포함

*** RACE(Remote Applications in Challenging Environments) 핵융합로 내외부의 각종 로봇 작업을 위한 다양한 기술 개발

**** FTF(Fusion Technology Facility) 고진공, 고온, 고자장 환경의 공학 연구설비 CHIMERA(Combined Heating and Magnetic Research Apparatus) 건설


- (상용화 리더십) 핵융합 기술 클러스터를 생성하고* 핵융합 관련 공급망을 확장시켜 영국 기업의 미래 핵융합 시장 경쟁력 강화

* 캐나다 핵융합 스타트업 General Fusion이 영국 Culham 지역에 연구로 건설을 확정하는 등의 실적이 발생


º STEP* 건설을 위한 입지 선정 중이며 안전규제 등에 대한 연구도 진행

* STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)’40년 세계 최초 핵융합 상용화 목표를 달성하기 위해 건설하는 핵융합로


- STEP100이상의 전력생산을 통해 삼중수소 자가증식 기술 확보, 핵융합 재료 개발, 경제성 확보 등을 목표로 제시


- STEP의 입지 확보를 위해 ’2012월부터 ’213월까지 공모를 실시하여 15개 지역 중 Ardeer, Moorside, Goole, West Burton, Severn Edge5개 지역으로 압축하고 설명회 진행 중이며 ’2212월 최종 선정 예정


- 입지 선정 등 핵융합로 건설이 현실화됨에 따라 안전규제와 관련된 시스템을 어떻게 갖출 것인가에 대한 정부 논의*도 진행 중

* UK Department of BEIS(2021), Towards Fusion Energy The UK Government’s Proposal for a regulatory framework for fusion energy 


나. 미국


□ 핵융합 상용화에 대한 구체적 로드맵을 제시하지 않던 미국이 ’35’40년 전력생산을 위한 파이롯 플랜트를 건설한다는 세부적 일정을 제시*


* NAS(021), Bringing Fusion to the U.S. Grid


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º ’35’40년 파일롯 플랜트 건설 목표를 설정한 이유는 ’50년까지 저탄소 전력시스템 전환에 있어서 미국이 핵융합 분야의 주도권 확보 목적


- 로드맵에서 제시한 미국 상용화 전략의 가장 큰 특징은 민간과 공공의 파트너십에 의한 추진으로 ARPA-E* 프로그램 등이 주요사업

* ARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy) 잠재력과 영향이 큰 에너지기술에 대한 시장실패를 보완하기 위한 R&D 사업


- 핵융합로 건설일정이 구체화됨에 따라 NRC*에서 핵융합에 대한 안전규제 방안에 대해서 산업계 관계자와 논의** 진행

* NRC(Nuclear Regulatory Commission) 미국 원자력규제위원회

** NRC 주최로 ’223“Developing Options for a Regulatory Framework for Commercial Fusion Energy Systems”을 개최하고 NRC, 핵융합 스타트업 엔지니어, 산업계 대표가 각각 발

제를 하고 규제 관련 의견을 교환


º ’223월 의회에서 통과된 핵융합 예산은 총 71,300만 달러이며, ITER 건설 및 재정지원에 24,200만달러, 핵융합연구에 46천만달러


- 하원에서 통과된 재건법안(Build Back Better)에 따르면 핵융합 분야에 ’22’31년까지 885 MUSD(한화 1조원 이상)를 투자할 계획(’21.11)


- 재건법안의 세부 내용은 민간 공공 파트너십 325MUSD(한화 400억원 가량), 재료 200MUSD(한화 2천억원 이상) 등이며 기존에 투자되던 핵융합 예산과 별도로 투입할 계획


다. 중국


□ ’21년 이전까지 로드맵에 없었던 BEST 장치를 추가하여 CFETR 건설 이전에 중수소-삼중수소 연소에 대한 리스크와 비용 절감을 시도

* BEST(Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak)

* CFETR(Chinese Fusion Engineering Test Reactor) 상용로 이전의 실증로


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º 변경 이전의 로드맵과 비교하면 EASTITER 사이에 CRAFTBEST가 추가되었음을 확인할 수 있음

* CRAFT(Comprehensive Research fAcilities for Fusion Technology)

 

- CFETR에 대한 설계 과정에서 CRAFT, BEST 등의 필요성을 인식하고 CFETR을 현실화하기 위한 연구장치와 시설을 제안한 것으로 평가


- CRAFTBESTCFETR 건설을 위한 연구시설단지로 건물은 완공되었으나, 실제 시험 및 연구시설은 25년까지 완비 예정


- CRAFT에 들어설 연구시설은 초전도 시험시설, 초전도 자석 시험설비, 거대 선형 플라즈마 설비(고온, 고자장, 고진공), 디버터 시험설비 등


라. EU


□ EUHorizon Europe 프로그램에 따른 핵융합 R&D를 진행 중이며 2020년대 다양한 장치 건설과 중요한 일정이 계획되어 있음


º JET*의 중수소-삼중소소 반응(’21 달성), JT-60SA** 최초 플라즈마, IFMIF-DONES*** 착공, W7-X**** 능동냉각 디버터 시작(’22 예정) 진행

* JET(Joint European Torus) 영국에서 운영 중인 EU 차원의 핵융합 연구장치로 ’83년부터 운영되었으며 ’2112월 중수소-삼중수소 반응에 성공

** JT-60SA 유럽, 일본의 국제협력에 의해 일본에 지어진 핵융합 실험로, ’213월 시운전을 시도했으나 실패하고 원인 규명 후 ’22년 운전 재개 예정

*** IFMIF-DONES(International Fusion Materials Irradiation Facility- DEMO Oriented Neutron Source) 핵융합 재료 조사 시험설비로 핵융합로에서 발생하는 중수소-삼중수소 수준의 중

성자를 발생시키는 것이 목표

**** W7-X(Wendelstein 7-X) 독일의 막스플랑크 연구소에서 건설한 스텔러레이터 타입의 핵융합 실험로


- EU 설비 검토, JT-60SA 물리 실험 시작(’23), ITER 최초 플라즈마(’25), DTT* 최초 플라즈마(’26), DEMO 개념설계 완료(’27) 등 예정됨

* DTT(Divertor Dest Tokamak) 이탈리아에 건설 중인 초전도 토카막으로 핵융합로의 열 및 연소잔여물질 제거 역할을 하는 디버터 시험 전용 핵융합로


- EU는 의사결정 과정이 길고 지난한 특징이 있으나 일단 결정되면 쉽게 바뀌지 않기 때문에 이전에 결정된 핵융합 연구개발 일정은 변함없음


마. 일본


□ 일본은 기존의 계획에 변경 없이 진행 중이나, JT-60SA 시운전 일정 지연, 핵융합 관련 연구기관의 명칭변경 등이 주요한 이슈임


º JT-60SA’213월 시운전 중 초전도 관련 케이블의 단락으로 정지 후 ’217월 원인 규명 및 개선 후 ’223월 재시도 예정


- 시운전 재시도 관련 추가적인 소식이 없는 점으로 미루어 어려움을 겪는 것으로 예상


- 초전도 관련 단락은 절연 케이블과 인출거리가 너무 짧아서 발생한 것으로 파악되어 인출거리를 충분하게 벌여주어 문제해결한 것으로 파악


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º 일본은 핵융합 연구기관과 가속기 연구기관을 QST라는 법인으로 통합하여 운영하다가 핵융합에너지부문을 양자에너지부분으로 변경(’21.10)

* QST(National Institute for Quantum Science and Technology; 국립연구개발법인 양자과학기술연구개발기구) 방사선의학종합연구소와 일본원자력연구개발기구의 양자빔 부문과 핵융합 부

문을 통합하여 ’164월 출범한 법인으로 방사선 활용, 양자과학, 융합이 주된 연구부문


- 통합시 핵융합에너지부문으로 명칭하였던 핵융합연구관련 조직을 양자에너지부문으로 변경하고 나카연구소와 롯카쇼연구소로 개명함


- 나카연구소는 ITER, JT-60SA, 플라즈마 물리 등이 주된 영역이며 롯카쇼연구소는 핵융합로 시스템, 재료, 블랭킷 등을 주로 연구함


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바. ITER


□ ’07년 부지건물 공사 착수, ’12년 이후 각 회원국이 제작한 핵심 장치 조달 시작에 따라 ITER* 주장치 및 부대장치 조립 설치 본격 진행

* ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) 국제핵융합실험로 사업, 핵융합에너지 대량생산 가능성(열출력 500, 에너지 증폭률 10) 확인을 위해 7개 회원국(한국,

, 러시아, EU, 일본, 중국, 인도)이 

공동으로 대형 초전도핵융합실험로를 건설운영


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º 최초 플라즈마까지 ITER 건설 공정율 75.8% 달성(’21.12)하였으며 회원국 전체 132개 조달약정 중 119(90%) 체결(’21.12)


- 고성능 선재 등을 활용한 초전도 도체 제작조달완료, ITER 핵심 품목인 진공용기 섹터(2) 조달완료, 초대형 정밀 구조물인 조립장비 조달완료, 은도금 기술 등을 활용한 열차폐체 제작운송 완료


- 진공용기 포트 격벽 차폐체 운송완료, 차폐블록 양산시스템 구축, 삼중수소 SDS 실험실 이전 완료, 전원공급장치 제작 및 현장설치 진행, 진단장치 예비설계 완료 및 최초 플라즈마 부품 제작 진행


3. 한국의 핵융합에너지 R&D 정책


□ 새 정부는 차세대 원전기술 확보 차원에서 SMR, 4세대 원자로, 핵융합, 원전 연계 수소생산 등에 대한 R&D 집중 추진을 국정과제로 선정


º 110개 국정과제 중 3번 과제 탈원전 정책 폐기, 원자력산업 생태계 강화측면에서 차세대 원전기술로 핵융합을 포함하여 R&D 추진 천명


□ 4차 핵융합에너지개발진흥기본계획*에서(이하 4차 기본계획) ’22’26년 대상기간 동안 수행할 3대 전략, 8대 과제를 제시

* 과학기술정보통신부, 2021. 4차 핵융합에너지개발진흥기본계획


□ 4차 기본계획에서 핵융합에너지 개발의 핵심 활동별로 현행화된 장기 일정과 주요 목표를 제시하고, 이를 기반으로 향후 5년의 정책 추진 방향과 전략을 수립


º 국내 기술 역량과 ITER 건설운영 일정 등을 고려하여, 2050년대에 핵융합 전력 생산을 실증*하기 위한 장기 일정 목표 수립


- 통상 실증(Demonstration)’은 기술적으로 수백 의 전기출력 실현, ‘상용화 (Commercialization)’는 실증단계 이후 경제성이 확보된 가운데에서 전기 공급을 의미하나, 한국 

핵융합 전력생산 실증로의 보다 상세한 개념은 추후 구체화 필요


º 2035년경 이후 ITER 실험의 목표 달성(에너지 증폭률 10) 성공 여부를 확인한 후 한국의 핵융합 전력생산 실증로건설 추진 여부 결정

 

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- 실증로 건설 추진을 위한 필수 고려사항은 ITER 성공, 8대 핵심기술 확보, 핵심부품 국내 조달, 핵융합 발전의 경제성 확보 가능성


º 기존 핵융합 R&D 활동의 유기적 추진을 기반으로 전력생산 실증에 이르기 위해 필요한 연구 분야와 일정을 큰 틀에서 함께 제시


- 5년 주기 기본계획 수립 시 장기 일정을 업데이트 제시 (Rolling Plan)


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□ 4차 기본계획에서 미래 핵융합 전력생산 실증에 필요한 8대 핵심기술 선정


º (주요 전제) 향후 한국의 핵융합 전력생산 실증로KSTARITER를 확장발전한 토카막* 방식을 채택 핵융합 전문가들이 현 시점 최선이라는 과학기술적 판단에 근거

* 자기장으로 플라즈마를 가두는 도넛모양 장치


- 타 기술 분야(: 원자력 등)에서 이미 성숙된 기술이 확보되어 있고 핵융합에 적용이 비교적 쉬운 기술이거나,

 

- 전세계적으로 기초단계에 있어 현 시점에서 핵융합 전력생산 실증로의 기술적 기반으로 채택 검토가 어려운 기술은 범위에서 제외


º (범위) 2050년대 핵융합 전력생산 실증에 필수적인 기술을 대상으로 함


- 현재 진행 중인 연구개발 활동의 심화 또는 추가적도전적 연구 수행을 통해 과학기술적공학적 난제를 극복함으로써 확보 가능한 기술

→ ➀ 노심 플라즈마, 증식블랑켓, 핵융합 소재, 연료주기, 디버터, 가열 및 전류구동, 초전도자석 기술


- 이에 더하여, ‘핵융합 전력생산 실증로등 미래 핵융합 장치 등에 적용할 안전인허가 체계를 확립하기 위해 필요한 기술 → ➇ 안전인허가


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4. 주요국의 핵융합에너지 연구개발 투자


□ IEAR&D 투자 기준, 미국은 최고의 핵융합 투자국이며, 프랑스, 영국은 증가세, 독일, 일본은 감소세를 보이고 한국은 최근 약간의 증가세임


º 미국은 ’16년 최저 투자를 보인 뒤 ’20년까지 급상승세를 보이며 ’21, ’22년 투자금액도 증가세를 보일 것으로 예상


- 영국은 브렉시트 이후 투자금액을 증가시키고 있으며 STEP 건설 등으로 ’21, ’22년 투자금액의 급상승 전망


- 일본과 독일의 연구개발 투자금액의 지속적 하락은 실제 투자규모의 하락이 아닌 PPP* 기준 투자금액이므로 물가수준을 상회하는 투자가 이루어지지 못했음을 반증한다고 평가

* PPP(Purchase Power Parity) 각국의 통화단위로 산출된 금액을 단순히 달러로 산해 비교하지 않고 각국의 물가 수준을 함께 반영하여 계산하는 방법으로 측정단위는 달러이

고 미국의 구매력을 기준으로 계산


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□ 영국과 미국의 핵융합 연구개발 투자 확대는 탄소중립 등 정책적 요인도 있지만 英美 중심의 핵융합 스타트업 융성에 고무된 정부 투자 확대도 기인


º 특허를 근거로 평가한 선두권 핵융합 스타트업인 Tokamak Energy*(), TAE**, CFS***(), General Fusion****(캐나다)의 활동이 두드러짐

* Tokamak Energy ’09년 영국에 설립되어 150여명의 직원이 근무하며 고온초전도에 의한 고자장 스페리컬 토카막을 30년대 상용화 목표

** TAE(Tri Alpha Energy) ’98년 미국에 설립되어 250명 이상의 직원이 근무 중이며 ’21년까지 한화 1조원 이상의 투자를 유치

*** CFS(Commonwealth Fusion System) ’18MIT에서 창업하여 100여명의 직원이 근무 중이며 고온초전도에 의한 고자장 핵융합로인 SPARC 건설

**** General Fusion ’02년 캐나다에 설립되어 140여명의 직원이 근무 중이며 magnetized target fusion(관성핵융합과 자장핵융합의 혼용) 방식의 핵융합로를 영국에 건설 진행 중(’25)


- 선두권 스타트업 외에도 ’13년 설립한 Helion Energy’2110월까지 총 7,780만불(한화 980억원 이상) 투자를 받은 후 11월에 5억불(한화 6천억원 가량)에 추가로 17억불

(한화 2조원 이상) 약정 투자를 유치


- 이를 통해 핵융합 스타트업에 대한 뜨거운 시장 반응을 엿볼 수 있음


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5. 결론


□ 주요국은 핵융합에너지를 탄소중립 정책에 기여할 수 있도록 상용화 시기를 앞당기는 로드맵을 수립하고 이에 대한 이행 중인 것으로 파악


º 영국은 ’40년 핵융합 상용화, 미국은 ’35’40년 파일롯 플랜트 건설을 선언하는 등 저탄소 발전원으로 핵융합에너지 활용을 적극 고려


º 중국은 탄소중립을 위한 핵융합의 직접적 역할을 명시하지는 않았으나 ’50년대 상용화를 위한 각종 연구시설 투자는 분명한 정책의지로 파악


º EU, 일본은 주변 여건의 변화에도 기존 R&D 전략과 로드맵에 따른 연구개발 활동을 굳건하게 추진하고 있으며 진척되는 내용을 주시해야 함


□ 새 정부의 국정과제 세부내용 중 핵융합 R&D 집중추진을 선언한 점은 주요국이 핵융합 상용화를 목표로 연구개발을 가속화하는 추세에 시의적절한 결정임


º 英美의 상용화 목표 설정, 중국의 추가적 연구장치설비 투자, EU, 일본의 계획에 따른 착실한 이행을 참작하면 한국도 속도감 있는 추진 필요


- 8대 핵심기술을 중심으로 연구개발 로드맵 수립과 R&D 사업 예비타당성 조사 대비로 대규모 R&D 투자를 위한 자원 확보를 준비해야 함


- 4차 기본계획에 따르면 핵융합 전력생산 실증로기본개념 확립(’22), 핵융합 장기 연구개발 로드맵 마련(’23), 핵융합 규제 체계 기본방향 마련(~’24) 및 관계기관 등 소통(’24~), 핵융합 종합 전략 지원 체계 확립 (’23) 등 예정


- 향후 23년간 로드맵 및 전략방향 수립에 집중하는 것은 올바른 방향이나 국정과제 이행을 위한 일정을 고려하면 완료시기를 앞당겨야 할 필요가 있는 것으로 판단


※ 한국핵융합에너지연구원 장한수 책임연구원(jjang@kfe.re.kr)