서울대-영국원자력청, 핵융합용 고온초전도 케이블 및 자석 시작품 개발 위해 1000만 파운드 규모 연구협약 체결
- 영국 차세대 핵융합 발전소 건설 ‘STEP’ 프로그램 3단계 공동연구 착수
- 세계 최고 성능·신뢰도 갖춘 핵융합 케이블 개발(1~2단계)에 이어 발전소용 3미터급 자석 연구로 확장

● 서울대, 2024년 6월부터 영국원자력청(UKAEA, United Kingdom Atomic Energy Authority)과 함께 영국의 차세대 핵융합 발전소 STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)의 핵심 부품인 고온초전도 케이블 개발을 위한 2단계 공동 연구를 수행 중 (국내 기업 (주)파워닉스, 스탠다드마그넷(주)과 협력).
● 1단계 협력(2024.6-2025.7, 1M£)에서 개발된 3.6미터급 고온초전도 케이블은 스위스 SULTAN((독)SUpraLeiter Test ANlage) 시험평가에서 10.9 테슬라(T) 외부자기장 아래에서 91kA 전류와 100톤/m의 전자기력을 견뎌냈고, 1400회 이상의 반복시험에서도 성능 저하가 없는 세계 최고 수준의 성능과 신뢰도를 입증.
● 2단계 협력(2025.7-2027.3, 3.6M£)에서 핵융합용 고온초전도 케이블 장선화 장비를 개발, 이번 3단계 협력에서는 STEP 프로그램의 중요 마일스톤인 3미터 크기의 '핵융합용 모델 자석 시제품(Toroidal Field Model Coil)' 개발이 목표.
● 이번 3단계 추가협약(2026.2-2027.3, 10M£)은 고온초전도 케이블 연구를 넘어 실제 핵융합 발전소용 자석 개발로 연구가 확장되며, 양국의 차세대 소형 핵융합 기술 교류를 확대하고 핵심 기반 기술인 고온초전도 자석의 신뢰성과 기술 성숙도 (TRL)를 높이는 중요한 계기가 될 것으로 전망.

서울대학교 초전도응용연구센터(센터장: 한승용 교수, 전기정보공학부/전력연구소)는 영국 원자력청(UKAEA, United Kingdom Atomic Energy Authority)의 완전자회사이자 ‘STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)’ 프로그램을 주도하는 UKIFS(UK Industrial Fusion Solutions)와 1,017만 파운드(한화 약 200억 원) 규모의 3단계 공동연구 협약을 체결했다고 밝혔다.

STEP은 UKAEA가 이끌고 있는 영국의 전략적 대형 인프라 국가사업으로 2040년대 초까지 4인 가구 기준 20만 가구 이상에 전력을 공급할 수 있는 100MW급 상업용 핵융합 발전소 건설을 목표로 한다. 2025년 6월 영국 정부는 노팅엄셔(Nottinghamshire) 웨스트 버튼(West Burton)으로 건설 예정지를 확정짓고, 핵융합 에너지 개발을 위해 5년간 25억 파운드(한화 약 4.9조 원)를 투자한다고 발표했다.*

* 출처: Major funding milestone for world-first prototype fusion plant - STEP Fusion

서울대학교 초전도응용연구센터와 영국원자력청(UKAEA)은 지난 2024년 6월부터 약 2년간 진행된 1~2단계 공동연구를 통해 본 프로젝트의 기반을 닦았다. 1단계에서는 3.6m급 대전류 고온초전도 케이블 시제품을 설계 및 제작하여 세계 최고 수준의 성능과 신뢰도를 달성했고, 2단계에서는 실제 핵융합 자석에 적용 가능한 케이블 장선화 제조 장비 개발을 수행해왔다.

특히, 제작된 케이블 시제품은 2025년 7월 스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 산하 SULTAN 시험센터에서 성능평가를 거쳤다. 그 결과, 설비 한계치인 외부 자기장 10.9 T, 운전전류 91 kA를 달성하였고, 이는 1 미터에 100 톤에 달하는 전자기력*에 해당한다. 또한 1,400회 이상의 반복적인 충방전과 의도적인 퀜치(Quench) 사고 시험 환경에서도 성능 저하가 관측되지 않는 높은 신뢰성을 입증하며, 1992년 SULTAN((독)SUpraLeiter Test ANlage) 시험설비 가동 이래 고온초전도 케이블 분야에서 전례 없는 성과를 달성했다. 나아가, 온도별 임계전류 예측을 비롯한 주요 성능 지표가 서울대 연구진이 자체 개발한 해석 소프트웨어의 사전 예측값과 일치함으로써 설계 기술의 정밀도를 입증했다.

* 전자기력: 전류와 (수직)자기장, 길이의 곱

2025년 7월에 시작된 2단계 연구협력에서는 기존 수작업으로 진행됐던 고온초전도 케이블 제작 방식을 넘어, 향후 실제 핵융합 자석에 요구되는 케이블 장선화를 위한 전용 제조 장비를 개발했다. 나아가, 이번에 새롭게 합의된 3단계 연구협력에서는 3m 규모의 '핵융합용 모델 자석(TFMC: Toroidal Field Model Coil)' 시작품 제작을 목표로 한다. 이번 3단계 협력은 실험실 수준에서 벗어나 자체 개발한 전문 제조 장비를 활용하여 케이블의 장선화를 거쳐 TFMC 시작품으로 협력 범위가 대폭 확장되었다는 측면에서, STEP 고온초전도 자석 기술의 성숙도(TRL)를 한 단계 격상시키는 중요한 전환점이 될 것으로 전망된다.

이 같은 성과의 배경에는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단이 지원하고 서울대 초전도응용연구센터가 주관하는 PRISM(Project for Research and Innovation in Superconducting Magnet, 고온초전도자석 원천기술연구단, 단장 이상진 서울대 전기·정보공학부 객원교수) 연구단의 활약이 자리하고 있다. 2022년 출범한 PRISM연구단은 ‘국가를 하나의 연구소, 하나의 대학으로’라는 비전을 바탕으로, 5년간 총 464억 원의 예산을 투입하여 27개의 산·학·연 기관과 220여 명의 연구진이 참여하며 ‘고온초전도마그넷기술개발 사업(2022.4-2026.12)’을 수행하고 있다. 연구단은 광범위한 제조 산업 분야에 적용 가능한 고온초전도 자석을 세계 최초로 4대 형상과 7대 기술로 체계화하고, 양산화 및 명품화를 위한 핵심 원천기술들을 개발하고 있다.

연구팀은 현재 진행 중인 시작품 개발 성과를 기반으로, 향후 핵융합용 모델 자석 시작품의 제작 수량을 확대하며 STEP 최종 모델 자석 제작에 참여하는 방안을 협의 중이다. 이는 단순 부품 공급을 넘어 실제 핵융합로의 핵심 시스템에 우리 기술이 적용되는 첫 사례다. 향후 다양한 고온초전도 기반 핵융합로 구축 사업을 포함하여 바이오·소재, 의료, 국방, 첨단과학 및 미래 모빌리티 등 다양한 첨단 산업 분야로 국내 연구진 및 딥테크 기업들이 진출할 수 있는 계기가 될 것으로 기대되고 있다. 결과적으로 국내 고온초전도 원천기술 개발 결과가 개별 연구기관의 성과를 넘어, 국내 산업 생태계 전반이 글로벌 시장으로 확장되고 국가 차원의 전략적 기술 경쟁력을 확보하는 핵심 발판이 될 것으로 전망된다.

이번 UKIFS 공동연구에서는 서울대를 중심으로 PRISM연구단의 참여기업인 ㈜파워닉스(대표: 윤광희)와 ㈜스탠다드마그넷(대표: 김재민)이 대응팀을 구성했고, 케이블 시제품의 설계, 제작, 평가의 전 과정에 걸쳐 긴밀히 협력하여 우수한 결과를 도출했다. 이 같은 성과는 과학기술정보통신부의 ‘딥사이언스 창업 활성화 지원사업’과 연계되어, 향후 대응팀을 중심으로 국내에서도 핵융합용 고온초전도 시스템 전문 기업의 창업으로 이어지고 있다. 또한 본 협력은 서울대 Energy Initiative(SNU-EI, 단장: 김성재 교수, 전기정보공학부) 사업의 일환으로 진행되고 있다. 따라서 향후 미래전력 생산의 한 축을 담당할 것으로 기대되는 핵융합 발전에서 고온초전도 자석 기술개발에 국한되지 않고, SNU-EI 산하 생산분과의 에너지 전문가들과 협업을 통해 실질적인 핵융합 상용화를 가속화할 수 있는 핵심 요소 기술들의 연계와 기술 한계에 대한 검토를 수행하고, 다양한 기술협력 및 파생사업으로 확대를 도모하는 토대가 될 것으로 기대된다.

▲ 자료1. (왼쪽) 영국 원자력청(United Kingdom Atomic Energy Authority, UKAEA)이 개발 중인 STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) 핵융합 반응로 개념도 (출처: https://step.ukaea.uk/)

(오른쪽) 핵융합용 고온초전도 자석 시스템의 구성도: (1) 선재; (2) 케이블; (3) 자석; (4) 시스템. 이번 UKAEA-서울대 공동연구 협약은 케이블에서 시작하여 자석 및 시스템까지 확대될 예정이다.
(출처: 선재-https://sunam2004.tradekorea.com/main.do; 케이블-서울대 자체 제공; 자석-K. J. Chung et al., Design and Fabrication of VEST at SNU, presented at 16th International Workshop on Spherical Torus, Sep. 27-30, 2011.; 시스템-https://actu.epfl.ch/news/welcome-mast-upgrade-a-new-fusion-device/)

▲ 자료2. (왼쪽) 서울대에서 개발한 케이블 장선화를 위한 전용 제조 장비 프로토타입의 모습 (오른쪽) 프로토타입을 바탕으로 전장 12m 설비를 설치 중인 모습
    

▲ 자료3. (왼쪽) 스위스 로잔연방공과대학 산하 스위스 플라즈마 센터(SPC)에서 관리하는 SULTAN 시험설비의 모습. 오른쪽 연두색 프레임으로 둘러싸인 설비가 SULTAN이다.
(출처: https://www.epfl.ch/research/domains/swiss-plasma-center/research/superconductivity/page-97675-en-html/) 
(가운데) SULTAN 시험 시설에서 테스트 진행한 고온초전도 케이블 사진. 설비 한계치인 외부 자기장 10.9T, 운전전류 91kA를 달성했고, 이는 1미터에 100톤에 달하는 전자기력에 해당한다.
(오른쪽) 케이블이 최대 전류를 기록했을 때의 데이터, 특히 고자기장(10.9T) 영역 대표전압(남색) 및 전류(청색) 도표, 20K 부근에서 91kA에 도달했다.


▲ 자료4. (왼쪽) 고온초전도 케이블 장선 포머 제작을 위한 장비 (오른쪽) 제작된 10미터급 장선화 케이블 포머 사진
          

[문의]
- 서울대학교 전기정보공학부 한승용 교수 / 02-880-1495 / hahnsy@snu.ac.kr
- 서울대학교 전기정보공학부 이동우 석박사통합과정생 / imdwl0830@snu.ac.kr