핵융합의 결정적 순간

스타트업들이 사상 최대 규모의 투자를 유치하고 있다. 일부 과학자들은 이들의 일정이 지나치게 낙관적이라고 본다.

게시일: 2026년 9월 16일

8월 말, 눈부시게 작열하는 뉴멕시코의 무더위 속에서 정치인들과 투자자들이 기념용 삽을 휘두르며 태양을 병 속에 가두는 것을 목표로 하는 새로운 시설의 기공식을 거행했다.

최정예 과학자들과 기술 기업가들이 설립하고 지원하는 스타트업인 퍼시픽 퓨전(Pacific Fusion)은 태양을 움직이는 것과 동일한 반응으로 상업용 전기를 생산하는 데 중요한 걸음이 되기를 희망하는 핵융합 시험 부지를 앨버커키에 건설하고 있다.

현재로서는 그곳에 결국 무엇이 들어설지를 짐작하게 해 주는 것이라고는 하얀 모래땅 정도밖에 없다. 하지만 행사에 참석한 정치인들은 핵융합을 역사적 변혁이라고 말했으며, 한 민주당 상원의원은 그 잠재적 의의를 인류가 불을 발견한 것에 비유했다.

구글 전 최고경영자(CEO)이자 Pacific Fusion 투자자인 에릭 슈미트는 무대에서 핵융합이 장차 미국 전력의 대부분을 생산하게 된다면 AI의 에너지 수요로 인해 발생하는 '모든 문제를 해결할 수 있을 것'이라고 말했다.

풍부하고 저렴하며 깨끗한 에너지, 그리고 인류를 화석연료 연소 의존에서 해방시키겠다는 약속이 바로 구글과 엔비디아 등 미국 기술 기업들, 샘 올트먼, 제프 베이조스, 빌 게이츠 같은 억만장자들, 에너지 대기업들, 그리고 트럼프 가문의 미디어 그룹이 민간 핵융합 기업들에 수십억 달러를 쏟아붓고 있는 이유다. 올트먼의 지원을 받는 Helion Energy는 2028년까지 마이크로소프트에 전력을 공급하는 것을 목표로 하고 있다.

PitchBook에 따르면 올해 첫 8개월 동안 핵융합 스타트업이 민간 자금 38억 달러라는 사상 최대 금액을 유치했으며, 이는 그 자체로 역대 최고치였던 지난해 총액 33억 달러를 넘어선 것이다.

그러나 핵융합 과학이 크게 발전했다는 데에는 폭넓은 합의가 있는 반면, 기업들이 얼마나 빨리 전력망에 의미 있는 전력을 공급할 수 있을지, 그리고 그 전력 공급이 상업적으로 성립할지에 대해서는 전문가들과 스타트업 사이에 의견이 엇갈린다.

지금까지 어떤 핵융합 실험도 시설이 소비하는 전력보다 많은 전기를 생산하지 못했으며, 안정적으로 가동할 수 있는 발전소를 입증한 사례는 더더욱 없다.

정부 재원으로 운영되는 국제 핵융합 연구 프로젝트 ITER의 최고 과학자인 알랭 베쿨레는 향후 5~10년 안에 핵융합 발전소가 전력망에 연결되는 일은 "결코 일어나지 않을 것"이라고 말한다.

업계 관계자들은 자금 유치 경쟁이 격화되면서 기업들이 생산하길 희망하는 전기의 저렴함에 대해 지나치게 낙관적인 주장을 하고 있다고 경고한다.

익명을 요구한 핵융합 업계 고위 임원은 상업적으로 단 한 번도 가동된 적이 없는 기술의 비용을 추정하기 어렵다고 말한다. 일부 가격 공언은 연구를 계속 이어갈 수 있을 만큼 충분한 투자를 유치하기 위한 기업들의 "그저 지어내는 말"에 불과하며, 이는 "그럴 수 있는 한 가장 전형적인 실리콘밸리식 헛소리"라고 이 임원은 지적한다.

핵융합 기업들이 실험실 실험 단계에서 수십억 달러의 자본이 필요한 시제품 플랜트로 나아가면서 이 논쟁은 더욱 시급해지고 있다. 개발업체들이 점점 더 정부, 기관투자자, 공개시장으로 눈을 돌리는 가운데, 과장된 주장이 자본을 잘못된 방향으로 유도하고 장기적인 핵융합 연구는 물론 다른 저탄소 에너지원에 대한 지원까지 약화시킬 위험이 커지고 있다.

일부 투자자, 전문가, 심지어 일부 경영진까지도 과장된 약속이 결국 이 분야 전반에 대한 신뢰를 훼손할 수 있다고 우려하고 있다. 한 전문가는 이러한 위험을 핵융합업계의 ‘테라노스(Theranos) 순간’이라고 표현하며, 이 업계의 가장 야심찬 목표를 둘러싼 열광을 실리콘밸리 혈액검사 스타트업의 기술 주장이 무너지기 전 그 스타트업을 둘러쌌던 열광에 비유했다.

"우리는 물리학 문제를 풀 필요가 없다"

핵융합은 일반적으로 태양에 에너지를 공급하는 핵반응으로 설명된다.

태양의 중심에서는 지구 표면 압력의 약 2,500억 배로 추정되는 압력 아래에서 수소 원자핵이 강제로 충돌하며 헬륨 원자핵이 형성된다. 만들어진 헬륨 원자핵은 원래 네 개의 수소 원자핵보다 질량이 약간 작기 때문에, 그 차이는 열과 방사선의 형태로 막대한 에너지로 변환된다.

핵융합 연구자들은 태양에서 발견되는 극한 조건을 재현하기 위해 연료를 1억 섭씨 도 이상으로 가열해 과열 플라스마, 즉 휘발성이 강하고 전기를 띠는 물질의 상태로 만든 뒤, 원자핵이 융합할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 이를 가둔다.

이론상 이점은 어마어마하다. 종이 클립 하나 무게에 가까운 핵융합 연료는 유류 57배럴에 버금가는 에너지를 방출할 수 있다. 탄소 배출이 없을 뿐 아니라, 기존 원자력 발전소에서 우려되는 폭주 연쇄반응의 위험도 없다.

2022년 미국의 핵무기 연구개발 선도 시설인 로런스 리버모어 국립연구소의 국립 점화 시설(National Ignition Facility)은 직경 2밀리미터 연료 표적에 공급된 레이저 에너지보다 많은 핵융합 에너지를 생산해 이른바 순에너지 이득을 달성하며 획기적인 돌파구를 마련했다.

이 실험은 과학적 이정표를 달성했지만, 헤드라인을 장식한 결과에는 192기의 레이저를 가동하는 데 필요한 전기가 반영되지 않았으며, 시설을 건설하고 운영하는 데 드는 더 넓은 비용 또한 마찬가지였다.

이번 실험에서는 3.15MJ의 핵융합 에너지가 생산된 반면, 레이저 시스템은 약 422MJ의 전력을 소비했다. 이는 생산된 핵융합 에너지의 100배가 넘는 수치다.

그럼에도 이번 실험은 상용화를 추구하는 핵융합 스타트업들에게 개념 증명의 근거를 제공했다. 이 분야로 쏟아지는 자금은 한때 두터운 자금력을 갖춘 소수 기업이 지배했던 영역을 넓혀가고 있다. 핵융합산업협회(Fusion Industry Association)에 따르면 지난 5년간 민간 핵융합 기업 수는 두 배로 늘어 50곳을 넘어섰다.

그중에는 로렌스 리버모어 연구소의 기술을 시장에 도입하는 것을 목표로 하는 이너샤 엔터프라이즈스(Inertia Enterprises)도 있다. 이 회사는 2월 첫 대규모 자금 조달 라운드에서 4억5000만 달러를 유치했다.

제프 로슨(Jeff Lawson) 최고경영자는 수십 년간의 정부 지원 연구 덕분에 회사가 상용 핵융합을 추구하기에 유리한 위치에 있다고 말한다. 그는 "물리학 문제를 풀 필요는 없다 . . . 미국 정부가 지난 60년간 300억 달러를 투자해 준 덕분"이라고 말했다.

수많은 핵융합 스타트업이 향후 10년 안에 "상용" 전력을 공급하겠다고 약속하고 있다. 핵융합산업협회의 2026년 설문조사에서 응답자 45곳 중 32곳은 2040년까지 상용 에너지를 공급할 수 있다고 답했다.

"세상이 수십 년 후가 아니라 오늘 풍부하고 깨끗하며 신뢰할 수 있는 새로운 에너지원을 필요로 하기 때문에 우리는 야심 찬 목표를 세웠다"고 Helion은 마이크로소프트에 전력을 공급하겠다는 2028년 목표에 대해 말하며, 이러한 일정은 일곱 개의 시제품을 제작해 온 경험을 반영한 것이라고 덧붙였다.

그러나 미국과 중국을 포함한 34개국이 출자해 추진 중인 세계 최대 핵융합 프로젝트 ITER의 베쿨레(Bécoulet)는 향후 10년 안에 실험 시설이 상당한 수준의 핵융합 전력을 생산할 수 있겠지만, 아마 최대 약 20초 정도 지속되는 순간 출력에 그칠 것이라고 말한다.

그는 어떤 계통 운영자도 불안정한 전력원을 전력망에 연결하는 데 관심을 가지지 않을 것이라고 말한다. "그럴 이유가 없다. (간헐적 전력원)으로는 아무것도 팔 수 없다"고 그는 말한다.

핵융합은 아마도 "이번 세기의 마지막 10년"이 되어서야 에너지 믹스의 일부가 될 것이라고 그는 덧붙인다. 과학자들은 현재 추세가 지속될 경우 그 무렵이면 지구가 기후 붕괴 상태에 빠져 있을 것으로 전망한다.

계획 중인 상업용 플랜트의 실현 가능성에 대한 의문도 제기되고 있다. 핵융합 반응에서 발생하는 극한의 고열과 방사선에 일관되게 노출된 플랜트는 아직 없다.

방사선은 구조 부품을 손상시키고 방사능을 띠게 만들어 사람이 유지보수하는 것을 제한한다고 UCLA(캘리포니아대 로스앤젤레스) 기계·항공우주공학과 명예교수 모하메드 압두(Mohamed Abdou)는 말한다. 예컨대 플라스마 챔버에서 부품이 고장 나면 원자로 전체를 가동 중지해야 한다. 압두는 현재 수준의 기술로는 핵융합 연료를 사용하는 1세대 플랜트가 평균 20분마다 고장 날 것이며, 원자로 내 부품 교체에는 "수개월"이 걸릴 것으로 추산한다.

상용 핵융합로는 연료의 일부를 자체적으로 생산해야 하는데, 보통 희소성이 높은 수소의 일종인 트리튬을 만든다. 하지만 이는 지금까지 실험실에서만 시연된 바 있다.

미국 프린스턴 플라즈마 물리 연구소 소장이자 세계에서 가장 존경받는 플라즈마 과학자 중 한 명인 스티븐 카울리는 2030년대 말 무렵에는 소비하는 것보다 더 많은 전기를 생산할 수 있는 시범 플랜트가 등장할 것이라고 “확신한다”고 말했다.

초기 플랜트는 “기술 실험”에 가까울 것이라고 그는 말했다. 그는 이 플랜트들을 약 10년간 시험해야 하며 상용 플랜트는 아마 이번 세기 중반쯤에야 실현될 것이라고 생각한다.

“상용 플랜트와 시범 플랜트 사이의 구분을 마음속에 매우 분명하게 유지하고 싶다”고 그는 덧붙였다.

하지만 많은 핵융합 스타트업은 이 두 가지를 동시에 건설하려 하고 있다. 여러 핵융합 기업에서 근무했던 한 전직 엔지니어는 “상용화 이야기를 하지 않으면 핵융합 분야에서 자금 조달은 불가능하지는 않더라도 어렵다”고 말했다.

투자자들은 인내심 있는 자본 공급자의 지원이 있더라도 벤처캐피털리스트들은 기껏해야 10년 단위의 투자만을 하려 할 것이라고 말한다.

이 분야에서 가장 오래된 두 기업은 필요한 강인함의 수준을 잘 보여준다. 2002년에 설립됐고 아마존 창업자 베조스가 투자자로 참여한 캐나다의 제너럴 퓨전(General Fusion)은 지난 7월 주요 증권거래소에 상장된 최초의 핵융합 기업이 되었다. 구글의 지원을 받는 미국 스타트업 TAE 테크놀로지스(TAE Technologies)는 1998년에 설립됐으며, 도널드 트럼프 대통령의 가족 미디어 그룹과 60억 달러 규모의 전량 주식 교환 방식 합병을 계획하고 있다. 두 회사 모두 그간 야심을 한 발 물러놓은 것으로 보인다.

2014년 제너럴 퓨전 창업자 미셸 라베르주(Michel Laberge)는 캐나다 잡지 BCBusiness에서 회사가 2022년까지 실제 제품을 판매하는 것을 목표로 한다고 밝혔다. 올해 1월에는 최고경영자 그렉 트위니(Greg Twinney)가 투자자들에게 회사의 상업용 플랜트가 "약 2035년"까지 가동에 들어갈 계획이라고 말했다.

가장 오래된 포부 중 하나는 2010년에 나타났는데, 당시 캘리포니아 매체인 오렌지카운티 비즈니스 저널(Orange County Business Journal)은 TAE가 2020년까지 상업용으로 쓸 수 있을 만큼의 에너지를 확보하는 것을 목표로 하고 있다고 보도했다. 회사 웹사이트에 따르면 목표 시점은 현재 "2030년대 초반"이다.

TAE는 성명서를 통해 "기술, 과학, 자본, 수요, 규제가 수렴하고 있다"며 최첨단 기술들이 "이제 상업 발전소에 적용할 준비가 됐다"고 밝혔다.

General Fusion은 논평을 거부했다.

불이 꺼지지 않게

설령 제대로 작동하는 핵융합 발전소를 건설할 수 있더라도, 그렇게 생산된 전기가 일부 개발사들이 주장하는 것처럼 값싸고 풍부할 것이라는 보장은 없다.

제안된 대부분의 핵융합 발전소는 다른 화력발전소와 마찬가지로, 반응에서 발생하는 열로 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식을 취할 것이다. 하지만 연료를 태우는 가스나 석탄과 달리, 핵융합은 플라스마를 생성하고 유지하는 데 막대한 양의 전기를 사용한다.

제너럴 퓨전(General Fusion)의 전 시스템 엔지니어 애덤 잭슨(Adam Jackson)은 핵융합 기업들이 전기 요금에 대해 비현실적인 생각을 하고 있다고 본다.

2024년, 그는 계산 과정에서 여러 오류를 발견한 뒤 제너럴 퓨전의 상사들에게 회사의 전기 비용 추정치를 업데이트해야 한다고 제안했다. 그러나 회사는 이를 받아들이지 않았다. 잭슨은 당시 회사 관리자 중 한 명이 "시장이 듣고 싶어 하는 것을 정당화하라"며 미리 정해진 특정 숫자에서부터 "역산하라"고 조언했다고 말한다.

그가 퇴사한 뒤 발표된 동료 심사(peer review) 논문에서 잭슨은 2023년 제너럴 퓨전의 개념 발전소 설계를 분석했다. 논문에 따르면, 발전소 자체가 에너지를 소비하기 때문에 전기의 약 40%만이 전력망 판매용으로 쓸 수 있을 것으로 나타났다.

논문은 이어서, 같은 양의 전기를 전력망에 공급하기 위해서는 핵융합 발전소가 기존 화력 발전소보다 두 배 이상 많은 전기를 생산해야 한다고 설명했다.

제너럴 퓨전은 논평을 거부했다.

핵융합 개발업체들은 대체로 전력 비용에 대한 확정적인 전망을 내놓기를 꺼린다. 제너럴 퓨전(General Fusion)은 핵융합 발전소를 건설하고 수명 기간 동안 운영하는 비용이 생산 전력 1MWh당 64~73달러에 이를 것으로 추산한다. 구글의 지원을 받는 업계 최대 기업인 커먼웰스 퓨전 시스템즈(Commonwealth Fusion Systems)는 상업용 발전소의 경우 1MWh당 약 50달러를 목표로 하고 있지만, 이 수치는 참고 지침일 뿐이라고 강조한다.

정부간 기구인 핵에너지기구(Nuclear Energy Agency)에 따르면, 미국에서 신규 원자력 발전소가 생산하는 전력의 비용은 1MWh당 약 71달러이며, 옥상이 아닌 태양광 발전 단지에서 생산되는 태양광 전력은 1MWh당 약 38달러에 이를 수 있다.

핵융합 기업들이 수백만 달러가 드는 실험실 실험에서 수십억 달러가 드는 발전소로 나아가면서, 전문 벤처펀드를 넘어선 자본을 점점 더 많이 찾고 있다.

공공 부문이 제공하는 자금도 늘고 있다. 최근 투자 유치 라운드에서 커먼웰스 퓨전 시스템즈는 이름이 공개되지 않은 연기금 및 국부펀드 투자자들 등으로부터 약 10억 달러를 조달했다. 공공 소유의 미국 전력회사들도 핵융합 기업들을 지원해 왔다. 또한 유럽과 아시아의 핵융합 스타트업 대부분은 첫 발전소를 건설하기 위해 정부 자금을 찾고 있다.

신규 투자자들이 여러 기업의 주장을 평가할 기술적 전문성을 갖추고 있는지는 의문스럽다. 익명을 요구한 한 투자자는 많은 은행과 공개시장 투자자들이 "어쩌면 5~7년 전"의 벤처캐피털(VC) 수준에 있다고 말하면서도, 이들이 "초기 학습 곡선"을 통과해 가고 있다고 덧붙였다.

이 투자자는 정부 지원 연구소와 국제 프로젝트가 속도가 느리다고 비판한다. 투자자는 “이들은 ITER를 상용 핵융합으로 가는 핵심 경로로 여겨 왔고, 그 결과 일정이 2050년을 한참 넘겨 잡혀 왔다”고 말한다. “민간 자본과 공모 시장, 그리고 잘 조율된 공공 자금이 결합하는 것이야말로 2040년 이전에 상용 핵융합 에너지를 실현할 수 있는 최선의 기회라고 생각한다.”

프린스턴 플라즈마 물리 연구소의 카울리는 민간 기업의 가장 큰 문제 중 하나가 과학 데이터나 경험을 타인과 공유할 유인이 없다는 점이라고 지적한다. 그래서 스타트업이 실패하면 지식이 사라지게 된다. 그는 “핵융합 기업에 대한 이 모든 투자가 정말 효율적으로 활용되어 우리가 서로 배우고 서로의 실수로부터 배울 수 있게 된다면 좋겠다”고 말한다.

오픈AI의 앨트먼이 지원하는 헬리온 에너지(Helion Energy)는 15억 달러의 자금을 확보한 이 업계에서 가장 탄탄한 자금력을 갖춘 기업 중 하나지만, 악명 높을 만큼 비밀스럽다. 전문가들과 경쟁사 경영진은 이 회사가 실험 결과에 대한 동료 평가 논문 발표를 꺼리는 것으로 보인다고 말한다. 제너럴 퓨전(General Fusion)과 TAE는 좋은 결과든 나쁜 결과든 자신들의 결과를 더 개방적으로 공개해 왔다.

이 회사는 앞서 이는 지식 재산권을 '모방업체'로부터 보호하기 위해 필요하다고 밝힌 바 있다.

헬리온의 최고경영자 데이비드 커틀리(David Kirtley)는 핵융합 산업이 상업화로 전환함에 따라 지식 재산권 보호를 포함한 '비즈니스의 정상적인 규칙'이 적용되어야 한다고 말한다. 동료 평가 논문 발표는 '우리의 사명 수행에 더 잘 쓰일 수 있는 팀의 시간과 자원을 소모한다'고 그는 덧붙인다.

'30년이나 남았다'

핵융합은 오랫동안 신뢰성 문제를 안고 있었다. 1951년 오스트리아 과학자 로널드 리히터(Ronald Richter)는 파타고니아의 바릴로체 근처 호수에 있는 외딴 섬에서 핵융합에 성공했다고 주장했다. 당시 아르헨티나의 후안 페론(Juan Perón) 대통령은 이 연구를 원자력 에너지를 혁신할 것으로 기대되는 돌파구라고 환호했다.

이 주장은 검증 과정에서 무너졌지만, 미국 과학자들이 핵융합에 필요한 초고온 플라즈마를 제어하는 방법을 연구하도록 자극하는 계기가 됐다.

1950년대의 허위 주장 이후 핵융합 물리학은 엄청난 발전을 이뤘다. 그러나 진전은 더디고 어려웠고, 이로 인해 핵융합은 "30년 뒤에 실현되며 앞으로도 늘 그럴 것"이라는 오래된 농담이 생겨났다.

컴퓨팅과 AI의 발전은 연구자들이 점점 더 복잡해지는 플라즈마 거동을 모델링하는 데 도움을 주며 이 분야의 일부 연구를 가속화하고 있다. 다만 이것이 상용 핵융합을 실질적으로 앞당겼는지는 더 어려운 질문이다.

카울리는 수십 년간의 연구 덕분에 과학자들이 "해를 병에 담을 수 있게 됐는데, 이는 실제로 상당히 놀라운 일"이라고 말했다. 그는 "온도가 2억 5천만 도에 이르지만 매우 안정된 상태로 유지할 수 있고, 핵융합이 일어난다. 그것은 놀라운 일"이라고 덧붙였다.

하지만 그는 덧붙인다. “아직 상업용 병에 담지는 않았다.”

그래픽 일러스트레이션: 이안 보트(Ian Bott)

소매업을 혁신의 최전선에