서울대학교 초전도응용연구센터, 영국 원자력청(UKAEA) STEP 핵융합 사업 참여
- 서울대, 과학기술정보통신부 지원 PRISM 사업 성과 바탕으로 UKAEA와 100만 파운드 규모 공동연구 협약 체결

- 대전류 고온초전도 케이블 개발을 시작으로 상업용 핵융합 발전소 고온초전도 자석 시스템 연구로 확대 예정

서울대학교 공과대학은 초전도응용연구센터(센터장: 전기정보공학부 한승용 교수)가 영국 원자력청(United Kingdom Atomic Energy Authority, UKAEA)이 주관하는 STEP(Spherical Tokamak for Energy Production) 핵융합 사업에 공식적으로 참여한다고 발표했다.

STEP은 UKAEA의 자회사 UKIFS (UK Industrial Fusion Solutions)가 이끌고 있는 영국의 대형 국가사업으로, 2040년까지 세계 최초의 상업용 핵융합 발전소 건설을 목표로 한다(그림 1). 3단계 중 1단계(2019-2024)에서는 2.2억 파운드(한화 약 3900억 원)가 투입되어 Nottinghamshire West Burton에 건설될 고온초전도 자석 기반 핵융합 프로토타입 발전소 개념 설계가 진행 중이다. 서울대 초전도응용연구센터와 UKAEA는 2025년 3월까지 100만 파운드(한화 약 17억 원) 규모의 공동연구협약을 체결하여, 대전류 고온초전도 케이블 연구를 시작으로 향후 자석 시스템으로 연구를 확장할 계획이다(그림 2).

핵융합 발전은 '인공태양'으로 불리며 지속 가능한 미래 청정에너지원으로 전 세계적으로 연구되고 있다. 초전도 자석의 강력한 자기장을 이용해 플라즈마를 제어하는 “자기장 가둠” 방식은 우리나라 KSTAR를 비롯하여 35개국이 연합하여 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER) 등에서 채택되었으나, 20미터가 넘는 자석의 크기와 수십조원에 달하는 막대한 건설비용으로 상용화 시기가 2050년 이후로 지연되고 있다. 최근 서울대 전기정보공학부 한승용 교수가 처음 제안한 '무절연 고온초전도' 기술을 통해 기존 초전도 자석의 크기를 1/5 이하로 줄이고 건설 및 운전 비용을 획기적으로 절감하는 '소형 핵융합(Compact Fusion)' 가능성이 대두되어, 지난 수 년간 전 세계적으로 약 10조 원 이상의 민간 투자를 바탕으로 다수의 스타트업 창업과 민관협력 사업으로 이어지고 있다. 한국 정부도 2024년 7월 '핵융합에너지 실현 가속화 전략'을 수립하고 고온초전도 자석 기술을 포함한 핵융합기술개발을 위한 1.2조원 규모의 신규사업 추진계획을 발표했다. STEP은 이러한 '핵융합 가속화 전략'의 일환으로 4인 가구 기준 20만 가구 이상에 전력을 공급할 수 있는 100 MW 이상의 핵융합 발전 상용화 시기를 2040년대로 앞당기는 게임체인저가 될 것으로 예상된다.

본 공동연구에서 개발 중인 대전류 고온초전도 케이블은 핵융합로 건설 비용 비중이 약 30%로 예상되는 초전도 자석의 핵심 부품으로, 핵융합 시스템의 소형화를 가능하게 하는 원천기술에 해당한다(그림 3). 이번 공동연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단이 지원하고 서울대 초전도응용연구센터가 주관하는 PRISM(고온초전도자석 원천기술연구단, 단장 이상진 서울대 전기정보공학부 객원교수) 연구단의 연구성과를 바탕으로, 서울대학교 전기정보공학부 초전도응용연구실을 중심으로 연구단 참여기업인 ㈜파워닉스와 ㈜스탠다드마그넷이 공동으로 참여 중이다. 2022년 출범한 PRISM연구단은 “국가를 하나의 연구소, 하나의 대학으로”라는 좌우명 아래 5년간 총 464억원의 예산으로 27개의 산•학•연 기관, 220여 명의 연구진이 참여하고 있으며, 광범위한 제조산업 분야에 적용가능한 고온초전도 자석을 세계 최초로 4대 형상과 7대 기술로 체계적으로 분류하고 양산화 및 명품화를 목표로 다양한 핵심 원천기술을 개발하고 있다.

㈜파워닉스(대표 윤광희)는 전력시스템 분야의 중소기업으로 PRISM 연구단 참여를 통해 서울대학교 초전도응용연구실과 협력하여 고온초전도 케이블 제작기술을 확보하였고, 사업 시작 후 2년만에 STEP 시스템의 핵심인 고온초전도 자석에 사용되는 시험용 고온초전도 케이블을 제공하는 공식 협력업체에 선정됐다. ㈜스탠다드마그넷(대표 김재민)은 PRISM 연구사업의 성과를 바탕으로 2024년 6월 설립된 서울대 스타트업으로, 다양한 고온초전도 자석 개발 및 응용 사업에 참여하며 글로벌 고온초전도 자석 전문 기업으로의 성장을 목표로 하고 있다.


그림 1. 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/)


그림 2. 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/)

그림 3. 서울대 초전도응용연구센터 연구팀이 개발 중인 STEP TF (Toroidal Field) 자석용 고온초전도 케이블

[방송보도]

- SBS : '핵융합 가속화'에 나선 영국, 한국이 초전도 기술 제공 (https://www.youtube.com/watch?v=AHP1mmeoJ0w)

- YTN : 서울대와 손잡은 영국...'핵융합 드림' 성공할까 (https://www.youtube.com/watch?v=rBjb1rPbO8A)

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