5분 읽기
- 1989년, 화학자 마틴 플라이슈만과 스탠리 폰스는 훨씬 간단한,실온에서의 핵융합 제시
- 이 "상온 핵융합"은 전 세계적인 반향을 불러일으켰지만, 곧 거짓으로 판명
- 전기화학은 팔라듐에 중수소를 풍부하게 하여 핵융합 수율을 향상시키는 데 실제로 도움
- 이 "썬더버드 반응로"는 전기분해 셀, 진공 챔버, 그리고 소형 플라즈마 가속기로 구성
- 흥미로운 진전이지만 아직 개선의 여지가 있다.

저온 핵융합의 새로운 시도?
전기화학 셀은 실온에서 중수소 융합을 향상시킬 수 있다.

결국 좋은 아이디어였을까? 35년 전, "저온 핵융합"은 전 세계적인 화제를 불러일으켰지만, 결국 조잡한 허구로 판명되었다. 이제 물리학자들은 저온에서 핵융합이 실제로 일어나는 새로운 유형의 원자로를 제시하고 있다. 비록 속도는 느리지만 말이다. 이 반응의 핵심은 팔라듐에 중수소를 농축하는 전기화학 셀이다. 연구팀은 "네이처"에 보고한 바와 같이, 이 금속에 중수소 빔을 쏘면 핵융합이 일어난다. 

▲ 이 소형 반응기에서는 핵융합이 실온에서 발생하지만 속도는 느리다. © The Berlinguette Group/ University of British Columbia

대규모 ITER 원자로, 벤델슈타인 7-X 스텔라레이터, 레이저 핵융합 등 모든 핵융합 시험 원자로는 압력과 열을 이용해 핵융합 플라즈마 내의 원자를 융합한다. 원자 밀도와 온도가 높을수록 핵융합 속도는 빨라진다.

스캔들과 그 결과

하지만 1989년, 화학자 마틴 플라이슈만(Martin Fleischmann)과 스탠리 폰스(Stanley Fons)는 훨씬 더 간단해 보이는 대안, 즉 실온에서의 핵융합을 제시했다. 그들은 실험에서 팔라듐 전극을 중수와 전해질 용액에 담갔다. 전류를 흐르게 하자 과도한 열이 발생했고, 연구진은 이를 팔라듐에서 중수소 원자의 전기화학적인 유도 융합의 증거로 해석했다.

이 "상온 핵융합"은 전 세계적인 반향을 불러일으켰지만, 곧 거짓으로 판명되었다. 다른 연구 그룹들은 플라이슈만과 폰스의 결과를 재현할 수 없었고, 두 화학자는 전기분해 셀에서 진정한 핵융합의 추가적인 증거를 제시할 수 없었다. "상온 핵융합"은 같은 해에 종말을 고했다.

▲ 플라이슈만과 폰스에 따르면, 전기화학 반응만으로 달성되었다고 주장되는 "상온 핵융합" 실험 장치. / © Theresa Knott/ CC-by-sa 3.0

새로운 소형 반응로, 이 원리를 사용하다.

이제 이 논란의 여지가 있는 실험의 적어도 한 가지 측면이 르네상스를 맞이할지도 모른다. 한 실험이 보여주듯이, 전기화학은 팔라듐에 중수소를 풍부하게 하여 핵융합 수율을 향상시키는 데 실제로 도움이 될 수 있다. "이 실험은 플라즈마 침지 주입을 통해 유도된 핵융합을 최초로 입증한 것이다"고 밴쿠버 브리티시컬럼비아 대학교의 쿠오이 첸(Kuo-Yi Chen)과 그의 동료들은 말했다.

이 핵융합 기술의 핵심은 물리학자들이 개발한 테이블 크기의 소형 반응로다. 이 "썬더버드 반응로"는 전기분해 셀, 진공 챔버, 그리고 소형 플라즈마 가속기로 구성된다. 가속기는 진공 챔버를 통과하여 30킬로전자볼트(KeV)의 에너지로 팔라듐 블록과 충돌하는 중수소 이온 빔을 생성한다. 연구팀은 "이를 통해 팔라듐에 중수소 이온이 풍부하게 함유된 플라즈마 껍질이 형성되어 육안으로도 볼 수 있게 되었다"고 보고했다.

핵융합 부스터로서의 전기화학 셀

핵심적인 구성 요소이자 악명 높은 플라이슈만-폰스 실험에서 영감을 받은 것은 팔라듐 블록의 반대편에 있는 전기화학 셀이다. 금속 블록은 중수조 속으로 돌출되어 있다. 전압이 인가되면 일반적인 수소 원자 대신 중수소를 포함하는 물 분자가 분열되어 중수소를 방출한다. 이 중수소는 팔라듐의 금속 격자에 흡수되어 그 안에 축적된다.

이 과정은 팔라듐 내 중수소 원자의 밀도를 증가시킨다. 이는 고에너지 중수소 이온이 금속 블록 내 중수소와 충돌하여 융합할 가능성을 높인다. 첸과 그의 동료들은 "이때 중수소 이온이 팔라듐 내 중수소 원자와 충돌하여 핵융합 반응을 촉발한다"고 설명했다. 이러한 핵융합이 발생했는지 확인하기 위해, 그들은 핵융합 과정에서 방출되는 중성자를 측정했다. 한 번은 전기화학 셀을 사용했을 때, 다른 한 번은 사용하지 않았을 때 측정했다.

▲ a, 썬더버드 반응기의 작동 원리. 중수소 가스(D2)는 중수소 가스 유입구를 통해 플라즈마 추진기로 공급된다. D2는 마이크로파 소스에 의해 이온화된다. 플라즈마 추진기 자석은 생성된 D+와 e-의 플라즈마를 진공 챔버로 방출한다. 팔라듐 타겟과 진공 챔버에 -30kV 전압을 인가하면 D+가 풍부한 플라즈마 덮개가 생성되고 D+가 팔라듐 타겟으로 가속되어 핵융합이 일어날 수 있다. 팔라듐 타겟의 반대편에는 양극에서 OD-를 D2O와 O2(g)로 산화시키는 전기화학 셀이 있다. D2O는 팔라듐 타겟에서 D로 환원되고, 팔라듐 타겟은 음극 역할을 한다. 그런 다음 D는 팔라듐 타겟에 흡수되어 플라즈마 추진기에서 공급된 D와 잠재적으로 융합된다. 플라즈마 전류는 전원 공급 장치에 의해 0.5 mA로 설정되고, 갈바노스탯은 전기화학 셀의 양극과 음극에 200 mA의 정전류를 유지한다. b, c, 썬더버드 반응기(b)와 전기화학 셀(c)의 사진. 축척 막대: 10cm(b); 2.5cm(c). (출처:Published: 20 August 2025 / Electrochemical loading enhances deuterium fusion rates in a metal target /nature)

15% 더 높은 핵융합 속도

실제로:
"이 연구에서 가장 중요한 점은 전기화학 셀을 켠 후 중성자 생성 속도가 증가했다는 것을 관찰했다는 것이다"고 연구진은 보고했다. 평균적으로 팔라듐의 전기화학적 중수소 함량이 없을 때보다 핵융합 속도가 약 15% 더 높았다. 첸과 그의 팀은 "이것은 전기화학이 핵융합 연료의 밀도를 증가시키고 결과적으로 핵융합 속도도 높일 수 있다는 최초의 확실한 증거다"고 밝혔다.

그러나 이 "저온" 핵융합으로 생성되는 에너지는 미미하다. 연구진은 "썬더버드 원자로는 현재 약 10억 분의 1와트에 해당하는 중성자량만 생성한다"고 기술했다. 반면, 이 원자로는 전기분해 셀과 중수소 이온 빔의 가속에 약 15Watt가 필요하다. 따라서 썬더버드 원자로는 핵융합을 통해 순에너지를 생성하기에는 아직 갈 길이 멀다. 그러나 연구팀은 여전히 ​​핵융합 속도를 높일 수 있는 몇 가지 가능성을 보고 있다.

흥미로운 진전이지만 아직 개선의 여지가 있다.

이것이 저온 핵융합을 되살릴 수 있을까? 완전히는 아니다. 플라이슈만과 폰스의 악명 높은 실험에 사용된 전기분해 셀이 새로운 썬더버드 원자로에서 중요한 역할을 하지만, 그것만으로 핵융합을 일으키는 것은 아니다. 중수와 팔라듐의 전기화학 반응은 팔라듐 타겟의 중수소 밀도를 증가시킬 뿐이다.

그럼에도 불구하고, 이 연구에 참여하지 않은 스탠퍼드 대학교의 연구원 에이미 맥키언-그린(Amy Mckeown-Green)과 제니퍼 디온(Jennifer Dionne)은 이것이 이미 상당한 진전이라고 말했다. 그들은 논평에서 "전기화학을 사용하여 핵융합 속도를 높이는 것은 중요한 성과다"며 "이로써 저자들은 접근 가능한 실험실 수준의 소형 원자로에서 저에너지 핵융합에 대한 더 광범위한 연구의 길을 열었다"고 썼다.
참고: Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-09042-7
출처: Nature

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]