· 서울대, 2024년 6월부터 영국원자력청(UKAEA)과 함께 차세대 핵융합 발전소 STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)에 사용될 대전류 고온초전도(HTS) 케이블 개발을 위한 공동 연구 1단계를 성공적으로 수행하고(2024.6 – 2025.3, 총액 100만 파운드, 한화 18억원), 2단계 기술 개발 협약 체결을 완료함(2025. 7 – 2027.3, 총액 360만 파운드, 한화 66억원)
· 국내기업인 (주)파워닉스, (주)스탠다드마그넷과 협력하여 개발된 이번 고온초전도 핵융합용 케이블 시제품은 2025년 7월, 국제적 케이블 시험 기관인 스위스 로잔공대 SULTAN시설에서의 평가에서 시설 한계까지 도달, 통전성능과 내구성을 입증함.
· 1992년 SULTAN 개시 이래 고온초전도 케이블 최고 성능인 10.9테슬라(T) 외부자기장 아래에서 91킬로암페어(kA) 전류와 100톤/m의 전자기력을 견뎌 냈고, 1400회 이상의 반복 시험에서도 성능 저하를 관측할 수 없었음.
· 2단계 협약에서는 개발된 1단계 시제품의 성능 고도화, 케이블 길이를 늘리는 장선화에 집중, 양국의 차세대 소형 핵융합 기술 교류를 확대하고, 핵심 기반 기술인 고온 초전도 자석의 신뢰성과 기술 성숙도(TRL)를 높이는 중요한 단계가 될 전망.

서울대학교 초전도응용연구센터(센터장: 한승용 교수, 서울대 전기·정보공학부)는 영국 원자력청 (UKAEA) 산하 “STEP (Spherical Tokamak for Energy Production)” 프로그램을 주도하는 UKIFS(UK Industrial Fusion Solutions)와 1단계 공동연구를 통해 세계최고 성능 및 신뢰도를 갖는 핵융합용 고온초전도 케이블 개발에 성공하고, 이를 기반으로 고온초전도 케이블 장선화 기술 개발을 위한 2단계 협력 계약을 체결했다고 29일 밝혔다.

STEP은 UKAEA가 이끌고 있는 영국의 전략적 대형 인프라 국가사업으로, 2040년까지 핵융합 발전소 건설을 목표로 한다. 이 사업은 3단계로 구성되어 있으며, 현재 1단계(2019-2025)에는 2억 2천만 파운드(한화 약 3900억원)가 투입되어 Nottinghamshire지역 West Burton에 건설될 고온초전도 자석 기반 핵융합 프로토타입 발전소 개념 설계가 진행 중이다. 서울대 초전도응용연구센터와 UKAEA는 2024년 6월부터 2025년 3월까지 100만 파운드(한화 약 18억원) 규모의 공동연구협약을 통해, 핵융합 시스템의 핵심부품인 대전류 고온초전도 케이블 공동으로 수행하였다.



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/)

최근 인공지능 기술의 대중화와 데이터 센터 수요의 폭증으로 인해 전 세계적으로 전력난이 심화되는 가운데 핵융합 발전은 청정에너지원으로 미래 전력난 해결의 게임체인처로 주목받고 있으며 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 초전도 자석의 강한 자기장을 이용하여 핵융합의 원료인 플라즈마를 제어하는 “자기장 가둠” 방식은 한국의 KSTAR를 비롯하여 국제열핵융합실험로(ITER) 등 여러 핵융합 시스템에 채택되고 있다. 그러나 초전도 자석의 대형화와 그로 인한 막대한 건설비용은 상용화 시점을 2050년 이후로 늦추는 주요 요인으로 작용하고 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 서울대 전기정보공학부 한승용 교수가 제안한 “무절연 고온초전도” 기술을 활용하면 기존 초전도 자석의 크기를 1/5 이하로 줄이고, 건설 및 운전 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 “소형 핵융합(Compact Fusion)”이 가능하다는 전망이 제기되고 있다. 이러한 기대 속에서 최근 수년간 전 세계적으로 약 13조원 이상의 민간 투자가 이루어졌으며, 다수의 스타트업 창업과 민관협력 사업으로 이어지고 있다. 우리나라 역시 2024년 7월 “핵융합에너지 실현 가속화 전략”을 발표하고, 고온초전도 자석 기술을 포함한 핵융합 기술 개발을 위해 총 1조 2천억원 규모의 신규 사업 추진 계획을 수립하였다. STEP 프로그램은 이러한 글로벌 전략 흐름의 일환으로, 4인 가구 기준 20만 가구 이상에 전력을 공급할 수 있는 100 MW 이상의 핵융합 발전소의 상용화 시점을 2040년대로 앞당기는 것을 목표로 삼고 있다.  

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 예정. (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 초전도응용연구센터에서 개발한 STEP 핵융합 자석용 대전류 고온초전도 케이블 시편을 SULTAN으로 운반하기 전 액화질소 하에서의 시험을 준비하는 모습

2024년 6월부터 진행된 1단계 협력에서 서울대는 영국원자력청과 공동으로 3.6 미터급 고온초전도 대전류 케이블 시제품을 설계하였으며, 서울대 초전도응용연구실이 자체 개발하고 공과대학 전력연구소에 설치한 케이블 제조 장비를 활용해 직접 시제품을 제작했다. 완성된 시제품 케이블은 2025년 7월 세계적인 초전도 케이블 시험기관인 스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 산하 SULTAN((독)SUpraLeiter Test ANlage) 시험센터에서 성능평가가 수행되었고, SULTAN 설비가 제공할 수 있는 최대 환경인 외부 자기장 10.9 T 및 91 kA 운전전류를 달성했다. 이는 1 미터에 100 톤의 전자기력에 해당한다.[1] 또한 반복부하 조건(85 kA, 10.9 T, 약 94 톤/m)에서1389회의 반복실험을 포함한 총 1400여회 이상의 충방전 및 의도된 퀜치를 겪은 뒤에도 성능저하를 관측할 수 없었다. 이는 시제품 케이블의 높은 성능과 신뢰성을 입증하는 결과로, SULTAN 설비가 1992년 가동된 이래 고온초전도 케이블 부분에서 유례없는 성과다. 특히 이러한 성능지표들은 서울대 초전도 응용 연구실이 자체 개발한 고온초전도 케이블 해석 소프트웨어를 통해 사전에 예측되었으며, 실제 SULTAN시험을 통해 그 예측 가능성이 입증되었다는 점에 더욱 큰 의미를 가진다.

그림 4. (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/) 
(오른쪽) 케이블이 최대 전류를 기록했을 때의 데이터, 특히 고자기장(10.9 T) 영역 대표전압(남색) 및 전류(청색) 도표, 20 K 부근에서 91 kA에 도달하였다.

이 같은 성과의 배경에는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단이 지원하고 서울대 초전도응용연구센터가 주관하는 PRISM(고온초전도자석 원천기술연구단, 단장 이상진 서울대 전기정보공학부 객원교수) 연구단의 활약이 자리하고 있다. 2022년 출범한 PRISM연구단은 “국가를 하나의 연구소, 하나의 대학으로”라는 비전을 바탕으로, 5년간 총 464억원의 예산을 투입하여 27개의 산•학•연 기관과 220여 명의 연구진이 참여하고 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.

이번 영국원자력청 공동연구에서는 서울대를 중심으로 PRISM연구단의 참여기업인 ㈜파워닉스(대표: 윤광희)와 ㈜스탠다드마그넷(대표: 김재민)이 대응팀을 구성하였고, 케이블 시제품의 설계, 제작, 평가의 전 과정에 걸쳐 긴밀히 협력하여 우수한 결과를 도출하였다. 이 같은 성과는 과학기술정통부의 “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: 전기정보공학부 김성재 교수) 사업의 일환으로 진행되고 있으며, 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 요소기술들의 연계와 기술 한계에 대한 검토를 수행하고, 추후 발생가능한 “Unknown Unknowns”를 준비하고 다양한 기술협력 및 파생사업으로 확대를 도모하는 토대가 될 것으로 기대된다.

서울대-영국원자력청은 이 같은 1단계의 성과를 바탕으로, 개발된 고온초전도 케이블 시제품의 성능 고도화 및 장선화를  위한 2단계 기술개발 협약 (총액 360만 파운드 (한화: 63억원), 2025. 7 – 2027.3)을 체결하였다. 2단계  협력에서는 실제 STEP 핵융합 시스템에 적용 될 수 있는  수십 미터급 고온초전도 케이블을 설계하고, 상용화를 대비한  장선화 제조 기술 및 극저온 성능 평가 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 아울러 양 기관은 STEP 핵융합 시스템의 핵심인 TF (Toroidal Field) 고온초전도 자석의 프로토타입 설계, 제작, 평가에 관한 협력 범위도 확대하고 있으며, 이를 통해 향후 양국 간 소형 핵융합 기술 협력의 깊이를 더하고, 기술적 수월성 제고에도 기여할 것으로 기대된다.


[방송보도] 
- SBS : "전례 없는 수치"…'세계 최고' 초전도 케이블 개발 (https://news.sbs.co.kr/news/endPage.do?news_id=N1008236071&plink=ORI&cooper=NAVER)
- YTN : "핵융합 상용화 앞당긴다"...고온초전도 케이블 개발 성공 (https://www.ytn.co.kr/_ln/0105_202508292038129467)
- 한국경제TV : 한국이 해냈다…'세계 최고' 고온초전도 케이블 개발 (https://www.wowtv.co.kr/NewsCenter/News/Read?articleId=A202508270708)