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상온 핵융합

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목차

1. 개요

상온 핵융합은 통상 수억 도의 초고온에서 일어나는 열핵융합과 달리, 낮은 온도에서 핵융합이 일어나는 현상을 지칭한다. 1989년 마틴 플라이슈만과 스탠리 폰즈의 실험 발표로 널리 알려졌으나, 재현 실패와 이론적 근거 부족으로 과학계에서 논란이 되었다. 이후에도 다양한 연구가 진행되었지만, 현재까지 과학적으로 인정받는 뚜렷한 성과는 없는 상황이다.

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상온 핵융합
상온 핵융합
Fleischmann-Pons 전지
Fleischmann-Pons 전지. 과도한 열이 발생한 실험을 보여준다.
다른 이름저에너지 핵반응 (LENR), 응축 물질 핵과학 (CMNS)
지지자제한된 수의 과학자
회의론자대다수의 과학자
일반적인 설명핵반응이 상온 또는 상온에 가까운 조건에서 발생한다는 가설
최초 보고1989년
주요 연구자마틴 플라이슈만, 스탠리 폰스
일반적인 상태실험 결과의 재현성 부족, 이론적 설명 부족으로 인해 주류 과학계에서 거부됨
역사
최초 주장마틴 플라이슈만과 스탠리 폰스가 1989년에 발표함
초기 반응과학계의 큰 관심과 논란을 불러일으킴
재현 실패대부분의 과학자들이 플라이슈만-폰스 실험을 재현하는 데 실패함
미국 에너지부 보고서1989년과 2004년에 보고서가 발표되었지만, 상온 핵융합의 증거는 발견되지 않음
과학적 수용
주류 과학계상온 핵융합은 가짜 과학으로 간주되며, 주류 과학계에서 인정받지 못함
대안적 설명보고된 현상은 실험 오류, 오염 또는 알려지지 않은 화학적 반응으로 설명됨
연구 현황
소규모 연구소수의 연구자들이 상온 핵융합 연구를 계속하고 있지만, 획기적인 발전은 없음
명칭 변경일부 연구자들은 "저에너지 핵반응(LENR)" 또는 "응축 물질 핵과학(CMNS)"이라는 용어를 사용함
논란
과학적 진실성상온 핵융합 연구의 과학적 진실성과 연구 방법론에 대한 논란이 지속됨
자금 지원상온 핵융합 연구에 대한 자금 지원의 타당성에 대한 논쟁이 있음
용어
영어Cold fusion
일본어常温核融合 (Jōon Kakuyūgō)
로마자 표기Sangon Haekyung'hap

2. 역사

핵융합은 통상 섭씨 수억 도의 초고온에서 일어난다고 이해되며, 이를 "열핵융합"이라고 부른다. 그러나 1920년대부터 금속 촉매에 흡수된 수소를 이용해 훨씬 낮은 온도에서 핵융합이 가능할 것이라는 추측이 있었다.[90] "상온 핵융합(Cold Fusion)"이라는 용어는 1956년 뉴욕 타임스 기사에서 처음 사용되었다.[91]

1989년 3월 23일, 영국 사우샘프턴 대학교의 마틴 프라이슈만과 미국 유타 대학교의 스탠리 폰즈가 상온 핵융합 현상을 발견했다고 발표하면서 이 용어가 널리 알려졌다.[92] 이들은 중수를 채운 시험관에 팔라듐과 백금 전극을 넣고 전류를 흘려 전해열 이상의 발열을 얻었으며, 핵융합 시 발생했을 것으로 추정되는 삼중수소, 중성자, 감마선을 검출했다고 주장했다.

그러나 1989년 발표 직후, 매사추세츠 공과대학교(MIT) 등 세계 각지 유명 학자들이 실험을 재현했지만 대부분 과잉 열을 확인할 수 없었다. 1989년 4월, 미국 의회는 폰즈를 불러 청문회를 열었고, 조사 결과 폰즈의 실험이 부실하다고 지적되었다. 8개월 후, 상온 핵융합이 관찰되었다는 확실한 증거는 없다는 보고서가 제출되었다.[95]

그럼에도 불구하고, 국제 상온 핵융합 학회 등을 중심으로 약 300명 정도의 연구자가 전 세계에서 연구를 계속했다. 주요 논문 일부는 "Elsevier",[98] "Fusion Technology", "Japanese Journal of Applied Physics", "Physics Letters A", "Journal of Electroanalytical Chemistry|저널 오브 일렉트로어낼리티컬 케미스트리영어"에 심사 논문으로 게재되었다.

1992년 초, 일본 오사카 대학교의 타카하시 아키토 교수는 상온핵융합 반응을 장시간 일으킬 수 있다는 것을 입증했다.[175] 같은 해 10월, NTT 기초과학연구소의 야마구치 에이이치 박사는 헬륨 발생을 확인했고, 나고야에서 열린 국제상온핵융합학회에서 경수를 사용해 상온핵융합 반응을 일으키는 데 성공했다고 발표했다.[176]

1994년, 일본 통산성은 삿포로의 수소에너지 연구개발센터에서 미쓰비시 중공업, 히타치, 도시바 등 5개 민간 회사와 함께 상온핵융합 연구에 착수했다. 다른 20개 기업도 자금을 지원했다. 3월 7일, 일본 통산성 산하 자원에너지청은 향후 4년간 총 518억원을 상온 핵융합 실험에 지원할 계획이라고 밝혔다.[177]

2009년, 미국 버지니아주의 JWK사(회장 제이 김)는 미국화학협회(ACS)에서 미 해군연구소와 공동으로 저에너지 핵반응(LENR)을 실시, 성공했다고 발표했다. 공동연구한 미 해군 우주해양전쟁시스템센터의 보고서에는 "상온에서 높은 에너지를 지닌 중성자가 생성됐다는 최초의 과학적 보고"라고 밝혔다.[182]

2015년, 구글은 상온 핵융합 연구를 지원하기 시작했다. 미국 매사추세츠공대(MIT)와 메릴랜드대, 로렌스버클리국립연구소 소속 연구진 30여명으로 구성되었다.

2. 1. 초기 연구

팔라듐이 수소를 흡수하는 능력은 19세기에 토마스 그레이엄에 의해 이미 알려졌다.[14] 1920년대 후반, 오스트리아 출신의 과학자 프리드리히 파네트와 쿠르트 페터스는 수소가 미세하게 분할된 팔라듐에 흡수될 때 핵 촉매 작용에 의해 헬륨으로 변환된다고 처음 보고했다. 그러나 이들은 나중에 자신들이 측정한 헬륨이 공기 중의 배경 때문이라며 보고를 철회했다.[15]

1927년, 스웨덴 과학자 존 탄드베르크는 팔라듐 전극을 사용한 전해 전지에서 수소를 헬륨으로 융합했다고 보고했다. 그는 이 연구를 바탕으로 "헬륨과 유용한 반응 에너지를 생산하는 방법"에 대한 스웨덴 특허를 신청했다. 그러나 파네트와 페터스의 철회, 그리고 물리적 과정을 설명할 수 없다는 이유로 특허 신청은 거부되었다.[15] 중수소가 1932년에 발견된 후, 탄드베르크는 중수를 이용한 실험을 계속했다. 탄드베르크가 중수로 진행한 마지막 실험은 플라이쉬만과 폰스의 원래 실험과 유사했다.[16] 하지만 플라이쉬만과 폰스는 탄드베르크의 연구를 알지 못했다.[17]

"상온 핵융합"이라는 용어는 1956년 루이스 알바레즈의 뮤온 촉매 핵융합 연구에 관한 ''뉴욕 타임스'' 기사에서 처음 사용되었다.[91] 1986년 폴 팔머와 브리검영 대학교의 스티븐 존스는 행성 핵에서 수소 동위원소와 관련된 핵융합 가능성인 "지구 핵융합"에 대한 연구에서 "상온 핵융합"이라는 용어를 사용했다.[18]

2. 2. 플라이슈만-폰즈 실험 (1989)

1989년 3월 23일, 미국 유타 대학교의 스탠리 폰즈와 마틴 프라이슈만은 팔라듐 음극과 중수를 사용한 전기분해 실험에서 과잉 열과 핵융합 생성물(헬륨, 중성자, 삼중수소)을 발견했다고 발표했다.[168] 이들은 이 발견이 새로운 청정에너지원이 될 수 있다고 주장했다.[23]

전해 전지 개략도


사우샘프턴 대학교의 마틴 플라이쉬만과 유타 대학교의 스탠리 폰스는 전기분해를 사용하여 팔라듐 금속 내에서 얻을 수 있는 중수소의 높은 압축비와 이동성이 핵융합을 일으킬 수 있다고 가설을 세웠다. 이를 조사하기 위해, 그들은 열량계 내에서 팔라듐 음극과 중수를 사용하여 전기분해 실험을 수행했는데, 열량계는 공정 열을 측정하도록 설계된 절연 용기이다. 전류는 여러 주 동안 지속적으로 가해졌으며, 중수는 간격을 두고 교체되었다. 대부분의 시간 동안, 전지에 가해진 입력 전력은 측정 정확도 내에서 전지에서 나가는 계산된 전력과 같았으며, 전지 온도는 약 30°C에서 안정적으로 유지되었다. 그러나 어떤 시점 (일부 실험에서)에는 입력 전력의 변화 없이 온도가 갑자기 약 50°C로 상승했다. 이러한 고온 단계는 이틀 이상 지속되었으며, 일단 발생하면 특정 실험에서 여러 번 반복되었다. 이 고온 단계 동안 전지에서 나가는 계산된 전력은 입력 전력보다 훨씬 높았다. 결국 특정 전지 내에서는 더 이상 고온 단계가 발생하지 않았다.

그러나 전 세계 과학자들의 재현 실험은 대부분 실패했고, 플라이슈만-폰즈의 실험 데이터와 방법론에 대한 비판이 제기되었다. 특히, 감마선 스펙트럼 분석 오류, 열량 측정 오류, 핵 생성물 측정 오류 등이 지적되었다.[29][30][31] 1989년 5월, 미국 물리학회는 상온 핵융합 주장을 사실상 기각하는 결론을 내렸다.[169] 1989년 11월, 미국 에너지부(DOE) 패널은 상온 핵융합이 유용한 에너지원이 될 것이라는 증거가 없다고 결론 내렸다.

유타 대학교는 연구 지원을 계속했지만, 결국 자금 부족으로 1991년에 국립 저온 핵융합 연구소를 폐쇄했다.[39] 플라이슈만과 폰즈는 이후 유럽과 일본 도요타 자동차의 지원을 받아 프랑스에서 연구를 계속했지만,[170] 큰 성과를 거두지 못하고 계약이 종료되었다.

2. 3. 북한의 핵융합 실험 성공 발표 (1989)

1989년 5월 8일, 북한 노동신문은 1면에 김일성종합대학 연구팀이 백금 전극과 팔라듐 전극을 중수 속에서 전기분해하여 상온 핵융합에 성공했다고 보도했다.[171] 이는 1989년 3월 미국 유타 대학교의 스탠리 폰즈와 마틴 프라이슈만이 팔라듐을 전기분해하여 상온 핵융합에 성공했다는 발표와 비슷한 방식이었다. 그러나 유타대의 발표는 이후 실험 재현에 실패하며 근거가 없는 것으로 결론났다.[169]

2010년 5월 12일, 북한은 노동신문 1면에 다시 핵융합 실험에 성공했다고 발표했다.[183] 그러나 이것이 상온 핵융합(콜드퓨전)인지 고온 핵융합(핫퓨전)인지는 명확하게 밝히지 않았다. 일반적으로 실험실 환경에서는 고온 핵융합이 어렵다고 알려져 있다.[184] 북한은 이란과 협력하여 핵 개발을 추진해 온 대표적인 국가 중 하나이다. 2006년 5월 29일, 이란 핵 담당관리는 이란 국영방송을 통해 이란이 지난 5년간 핵융합을 연구해왔다고 공식 발표했으나,[181] 콜드퓨전 연구 여부는 명확하지 않다.

2. 4. 논란과 비판

1989년 3월 23일, 미국 유타 대학교의 마틴 프라이슈만과 스탠리 폰즈는 팔라듐을 이용한 전기분해 실험에서 상온 핵융합에 성공했다고 발표하여 과학계에 큰 파장을 일으켰지만, 곧 여러 비판에 직면했다.[168]
주요 비판점:

  • 재현성 부족: 매사추세츠 공과대학교(MIT) 등 세계 각지의 유명 연구기관에서 실험을 재현하려 했으나, 동일한 결과를 얻지 못했다.[169]
  • 이론적 근거 부족: 기존 핵물리학 이론으로는 상온 핵융합 현상을 설명하기 어렵다.
  • 핵 생성물 부족: 핵융합 반응의 증거로 제시된 중성자, 삼중수소, 헬륨 등의 핵 생성물이 충분히 검출되지 않았다.
  • 실험 오류 가능성: 조지아 공과대학교 연구팀은 중성자 검출기 오류를, 텍사스 A&M 대학교 연구팀은 온도계 배선 불량을 인정하며 초기 실험 결과를 철회했다.


이러한 비판들로 인해, 1989년 5월 미국물리학회는 유타 대학교의 상온 핵융합 주장이 근거 없다고 결론 내렸다.[169] 미국 에너지부 또한 1989년 11월 보고서를 통해 상온 핵융합이 유용한 에너지원이 될 것이라는 증거가 부족하다고 밝혔다.

이후 상온 핵융합은 일부 과학자들에 의해 "병적 과학" 또는 "사이비 과학"으로 간주되기도 했다. 미국 특허청(USPTO)은 상온 핵융합 관련 특허를 거부하고 있으며, 주류 과학 학술지에서도 상온 핵융합 논문 게재를 꺼리는 경향이 있다.

그러나 일부 과학자들은 상온 핵융합 연구를 지속했다. 1992년 일본 오사카 대학교의 타카하시 아키토 교수는 상온 핵융합 반응을 장시간 일으킬 수 있음을 입증했고,[175] NTT 기초과학연구소의 야마구치 에이이치 박사는 헬륨 발생을 확인했다고 발표했다.[176] 2009년에는 미국 버지니아주의 JWK사가 미 해군연구소와 공동으로 저에너지 핵반응(LENR)을 성공시켰다고 발표하기도 했다.[182]

이처럼 상온 핵융합은 여전히 논란의 대상이지만, 일부 연구자들은 꾸준히 연구를 이어가고 있다.

2. 5. 후속 연구

1990년대 이후, 상온 핵융합 연구는 소규모 연구 그룹에 의해 "저에너지 핵반응(LENR)", "응축 물질 핵과학(CMNS)" 등의 다른 이름으로 진행되었다. 일부 연구자들은 팔라듐-중수 시스템 외에도 니켈-수소 시스템, 가스 방전, 플라즈마 전기분해 등 다양한 실험 조건에서 과잉 열, 핵 변환, 핵 생성물(헬륨, 삼중수소, 중성자 등)을 보고했다.[166] 그러나 이러한 연구 결과들은 여전히 과학계에서 폭넓게 인정받지 못하고 있으며, 재현성과 신뢰성 문제가 지속적으로 제기되고 있다.[178]

미국 에너지부(DOE)는 2004년에 상온 핵융합 연구를 재검토했지만, 1989년과 마찬가지로 부정적인 결론을 내렸다. 2015년, 구글은 상온 핵융합 연구를 지원하기 시작했지만, 2019년 네이처에 발표된 결과는 상온 핵융합 현상을 재현하지 못했다.[43]

1992년 초, 일본 오사카 대학교의 타카하시 아키토 교수는 언제든지 상온핵융합 반응을 장시간 일으킬 수 있다는 것을 입증했다.[175] 같은 해 10월, NTT 기초과학연구소의 야마구치 에이이치 박사는 상온핵융합 실험에서 헬륨이 발생하는 것을 확인했고, 나고야에서 열린 국제상온핵융합학회에서 경수를 사용해 상온핵융합 반응을 일으키는 데 성공했다고 발표했다.[176]

1994년 2월, 일본 통산성은 삿포로의 수소에너지 연구개발센터에서 미쓰비시 중공업, 히타치, 도시바 등 5개 민간 회사와 함께 상온핵융합 연구에 착수했다. 다른 20개 기업도 자금을 지원했다. 같은 해 3월 7일, 일본 통산성 산하 자원에너지청은 향후 4년간 총 518억원을 상온 핵융합 실험에 지원할 계획이라고 밝혔다.[177]

2009년 8월, 고베 대학 기타무라 아키라, 오사카 대학 다카하시 아키히토 등의 그룹은 아라타 방식 추적 실험 결과를 Physics Letters A에 게재했다.[138] 2014년 4월 8일, 일본경제신문은 미쓰비시 중공업 이와무라 그룹이 중수소를 사용해 적은 에너지로 원소 종류를 바꾸는 원소 변환 기반 기술을 확립했다고 보도했다.[139]

2015년 4월 1일, 도호쿠 대학과 클린 플래닛은 도호쿠 대학 전자광리 학 연구 센터 내에 응축계 핵반응 연구 부문 클린 에너지 연구 개발 센터를 설립하고, 응집계 핵반응을 이용한 새로운 청정에너지 실용화 응용 개발 연구에 착수했다.[142] 2023년 4월부터는 열·전기 에너지 기술 재단이 예산 9250만엔 규모의 '새로운 수소 에너지 혁신' 조사 프로젝트를 시작했으며, 규슈 대학, 고베 대학, 와세다 대학, 도호쿠 대학, 이와테 대학 연구 그룹이 참여하고 있다.[145]

3. 대한민국

2012년 8월 10일부터 17일까지 대전 컨벤션센터에서 제17차 국제 상온핵융합 학술회의가 개최되었다. 이 학술회의는 한국에서 처음으로 열리는 관련 학술대회였다. 국제 전문가 25명이 강연을 진행하고, 90여 편의 논문이 발표되었다. 조직위원장인 카이스트 박선원 교수는 "상온핵융합 관련 여러 가지 연구 중 하나라도 성공한다면 우리가 상상하지도 못하는 많은 변화를 가져올 것"이라고 말했다.

이명박 정부 시절, 한 미국 사업가가 한국 정부에 상온핵융합 투자를 요청했으나, 유니스트 박현거 교수가 강하게 반대하여 투자가 무산되었다. 박현거 교수는 한국에서 고온 핵융합 연구의 토대를 만든 과학자이다.

2017년에는 우즈베키스탄의 핵물리학자가 한국에 상온핵융합 기술을 보유하고 있다고 연락해왔다. 발전기 개발을 맡은 한국의 S사는 우즈베키스탄 연구진의 실험 영상과 특허를 근거로 신뢰성이 있다고 판단했다. 한전산업개발 주복원 사장은 물질 변환 과정에서 생성된 플라즈마로 발전이 가능하다는 S사의 설명을 신뢰하며 기술 개발 비용 전체를 부담하기로 계약했다. 이 문제는 국정감사에서 논란이 되었으나, 주 사장과 S사는 국내에서 실제 실험 장비를 만들어 입증하겠다고 밝혔다.[167]

4. 연구 사례 및 이론적 고찰

2003년 8월, 미국 에너지부 장관 스펜서 아브라함은 DOE에 상온 핵융합 분야에 대한 두 번째 검토를 지시했다.[56] 이는 피터 L. 헤이글스타인의 편지와 새로운 논문 출판에 따른 것이었다. 2004년에 발표된 보고서에서 검토자들은 실험에서 열 형태의 에너지가 생성되었는지에 대해 의견이 갈렸지만, 과도한 전력 생산 증거를 인정한 사람들조차도 효과가 재현되지 않고, 크기가 증가하지 않았으며, 많은 실험이 제대로 문서화되지 않았다고 지적했다.[56] 결국 15년이 지난 후에도 저온 핵융합 증거가 설득력이 없다고 판단하여 연방 연구 프로그램을 권장하지 않았다.[56] 다만, 기관들이 "이 분야의 일부 논쟁을 해결하는 데 도움이 될 수 있는" 특정 분야에서 개별적인 연구에 자금을 지원하는 것을 고려할 것을 권장했다.[56]

2004년 검토 보고서에서는 1989년 검토 이후 열량계의 정교함에 상당한 진전이 있었지만, 결론은 1989년 검토와 유사하다고 언급했다. 또한, 최신 특성화 기술을 사용한 중수소화 금속의 재료 과학적 측면과 최첨단 장치 및 방법을 사용하여 중수소화 포일에서 보고된 입자 연구를 포함하여, 논쟁 해결에 도움이 될 수 있는 기초 과학 연구 분야를 식별했다.

상온 핵융합 연구자들은 보고서에 대해 더 낙관적인 시각을 보이며, 일반 과학자처럼 취급받고 있다고 언급했다.[56] 그러나 2009년 BBC 기사에서 프랭크 클로즈는 연구 결과가 여전히 독립적으로 검증되지 않고, 설명할 수 없는 현상이 "저온 핵융합"이라고 표시되고 있다고 지적했다.[45]

2012년 2월, 시드니 키멜은 미주리 대학교에 550만달러를 지원하여 시드니 키멜 핵 르네상스 연구소(SKINR)를 설립했다.[48] 2013년 3월에는 그레이엄 K. 허블러가 소장으로 임명되었다.[51] SKINR 프로젝트 중 하나는 1991년 실험을 복제하는 것으로, 새로운 실험에서 이미 "1991년 관측과 유사한 수준의 중성자 방출"을 보았다고 주장한다.[52][53]

2016년 5월, 미국 하원 군사 위원회는 미국 국방부 장관에게 최근 미국 산업 기반 LENR 발전의 군사적 유용성에 대한 브리핑을 제공하도록 지시했다.[54][55]

일반적인 냉핵융합 실험은 덩어리, 박막 또는 분말 형태의 팔라듐 또는 니켈과 같은 금속과 중수소, 수소 또는 둘 다를 물, 가스 또는 플라즈마 형태로 포함한다. 전기 분해 셀은 개방형 또는 밀폐형 셀일 수 있으며, 가장 기본적인 구성은 팔라듐과 중수를 포함하는 용액에 담긴 두 개의 전극으로 구성된다. 전극을 전원에 연결하여 용액을 통해 전기를 전달한다.[62]

플라이슈만과 폰스의 헬륨, 중성자 방사선 및 삼중 수소에 대한 초기 발견은 만족스럽게 재현되지 않았으며, 그 수준은 주장된 열 발생량에 비해 너무 낮았다.[63] 냉핵융합 실험에서 다양한 종류의 검출기를 사용하여 매우 낮은 수준의 중성자 방사선이 보고되었지만, 수준이 너무 낮고 배경에 가깝고 너무 드물게 발견되어 유용한 정보를 제공하지 못했다.[64]

과잉 열 관측은 에너지 균형에 기반을 둔다. 플라이쉬만과 폰스 등이 수행한 실험과 같이, 일정한 온도에서 작동하는 전기분해 셀이 가해진 전류 증가 없이 더 높은 온도로 전환되는 경우가 있다. 만약 더 높은 온도가 실제라면 에너지 균형은 설명되지 않은 항을 보여줄 것이다. 플라이쉬만과 폰스의 실험에서 추정된 과잉 열 발생률은 총 투입량의 10–20% 범위였지만, 대부분의 연구자들이 이를 신뢰성 있게 재현할 수 없었다. 네이선 루이스는 플라이쉬만과 폰스의 원본 논문에서 과잉 열이 측정된 것이 아니라, 과잉 열이 없는 측정값으로부터 추정되었다는 것을 발견했다.

과잉 열이나 중성자를 생성할 수 없었고, 긍정적인 실험들이 오류에 시달리고 일치하지 않는 결과를 보여주면서, 대부분의 연구자들은 열 발생이 실제 효과가 아니라고 선언하고 실험을 중단했다.[65] 1993년, 플라이쉬만은 "사후 열" 실험을 보고했다. 이러한 유형의 보고서는 이후의 핵융합(상온 핵융합) 주장에도 포함되었다.[66]

CR-39 플라스틱 방사선 검출기에서 팔라듐 중수소화물에서 중성자 방출 증거로 주장되는 "세 개의 궤적"


에너지 생산 외에도 알려진 핵 반응은 쉽게 관찰할 수 있는 핵자와 입자를 생성한다. 플라이쉬만과 폰스는 초당 4,000개의 중성자 중성자속과 삼중수소의 검출을 보고했다. 고전적인 분기율은 1 와트의 전력으로 초당 1012개의 중성자를 생성할 것으로 예측하며, 이는 연구자들에게 치명적일 수 있는 수준이다.[67] 2009년, 모지어-보스 등은 CR-39 플라스틱 방사선 검출기를 사용하여 고에너지 중성자에 대한 최초의 과학 보고서를 발표했다고 보고했지만,[68] 정량적 분석 없이는 주장을 검증할 수 없다.

미즈노 타다히코 또는 조지 마일리와 같은 여러 연구원에 의해 칼슘, 티타늄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리 및 아연과 같은 여러 중금속 및 중원소들이 검출되었다고 보고되었다. 2004년 보고서는 중수소가 주입된 호일이 융합 반응 생성물을 감지하는 데 사용될 수 있음을 시사했으며, 검토자들은 제시된 증거를 결정적이지 않다고 판단했지만, 그 실험들이 최첨단 기술을 사용하지 않았다고 지적했다.

핵 생성물의 부재에 대한 의문에 대한 답변으로, 저온 핵융합 연구자들은 과도한 열과 관련된 핵 생성물을 포착하고 측정하려고 노력했다. 4He 생성 측정에 상당한 관심이 주어졌다. 그러나 보고된 수준은 배경에 매우 가깝기 때문에 공기 중에 일반적으로 존재하는 미량의 헬륨에 의한 오염을 배제할 수 없다. 2004년 보고서에서, 검토자들은 4He에 대한 증거에 대해 의견이 분분했으며, 가장 부정적인 검토는 검출된 양이 배경 수준보다 높지만, 이에 매우 가까워 공기로부터의 오염으로 인해 발생할 수 있다고 결론지었다.

저온 핵융합에 대한 주요 비판 중 하나는 헬륨으로의 중수소-중수소 융합이 감마선을 생성할 것으로 예상되었지만 관찰되지 않았다는 것이다. 그 이후 저온 핵융합 연구자들은 X선, 헬륨, 중성자 및 핵 변환을 발견했다고 주장해왔다. 일부 연구자들은 또한 경수와 니켈 음극만을 사용하여 이를 발견했다고 주장한다. 2004년 DOE 패널은 감마선 부족을 설명하기 위해 저온 핵융합 지지자들이 제시한 이론적 틀의 질이 낮다는 점을 우려했다.

상온 핵융합 현상을 설명하기 위해 다양한 이론들이 제안되었지만, 아직까지 모든 현상을 만족스럽게 설명하는 이론은 없다. 수소와 그 동위 원소가 팔라듐 수소화물과 같은 특정 고체에 높은 밀도로 흡수될 수 있다는 가설이 제시되었다. 이는 높은 부분 압력을 생성하여 수소 동위 원소의 평균 간격을 줄인다. 그러나 간격 감소는 원래 실험에서 주장된 융합 속도를 10배나 증가시킬 만큼 충분하지 않다.[71] 또한 팔라듐 내부의 더 높은 수소 밀도와 더 낮은 전위 장벽이 쿨롱의 법칙을 단순히 적용하는 것보다 낮은 온도에서 융합의 가능성을 높일 수 있다는 주장도 제기되었다. 2004년 미국 에너지부(DOE) 위원회에 팔라듐 격자 내 음전하를 띤 전자에 의한 양전하를 띤 수소 핵의 전자 스크리닝이 제안되었지만, 위원회는 이론적 설명이 설득력이 없고 현재의 물리학 이론과 일치하지 않는다고 결론 내렸다.

많은 핵물리학자들이 상온 핵융합을 부정적으로 평가하는 반면, 상온 핵융합 연구자들은 실험적으로 다음과 같은 사실을 보고하고 있다.[105]

  • 검출되는 중성자량은 일반적인 핵융합에서 예상되는 양보다 7자리 이상 적다.
  • 감마선은 거의 검출되지 않는다.
  • 면심 입방형 및 육방 조밀형 금속에서는 일어나지만 체심 입방형에서는 일어나지 않는다.
  • 반응 생성물은 주로 이며, Pb까지 거의 모든 원소가 생성된다(핵변환). 생성된 원소의 동위원소 비율은 천연적인 것과는 다르다.[106]
  • 경수에서도 Ni 등과의 조합으로 현상이 발생한다.
  • 과잉 열 현상의 재현성은 최대 60% 정도의 실험계가, 핵변환에서는 재현성 100%의 실험계가 보고되고 있다.
  • 과잉 열의 발생량으로는 전극 1제곱센티미터당 정도가 가장 많지만, 드물게 또는 과 같은 보고도 있다.
  • 전해 종료 후의 과잉 열, 이른바 "사후 열"의 발생이 보고되고 있다.[107]
  • 중성자를 방출한 Pd 음극에는 삼중수소가, "사후 열"을 경험한 Pd 음극에는 가 생성된 그림이 공개되어 있다.[108]
  • 과잉 열의 발생 빈도와 과잉 열의 크기를 플롯하면 양대수 그래프상에서 거의 직선이 되어 기울기는 -1에서 -2 사이가 된다.
  • 에서 등의 α핵의 정수 배의 핵변환이 보고되고 있다.[113]
  • 경수소와 니켈 기반 나노 구조 금속의 반응으로 재현성 높게 발열하는 것이 확인되고 있다.[109]
  • 나노 구조 금속은 나노 입자에서도 나노 박막에서도 발열한다.


이러한 보고에 대해 상온 핵융합 연구자들 사이에서는 정성적 재현성은 있다고 주장하고 있다. 한편, 많은 연구에서 현상은 전극 표면 부근에서 일어나고 있는 것으로 나타났으며, 현상 발생에는 시료 표면 부근의 나노 구조가 관여하고 있다고 보는 사람도 있다. 이러한 결과는 현대 물리학으로는 설명할 수 없는 것이며, 실험과 병행하여 이러한 결과를 설명하기 위한 이론적 연구도 계속되고 있다. 다만, 다양한 이론이 제안되고 있지만, 현재로서는 모든 현상을 설명 가능한 이론은 아직 확립되지 않았다.

상온 핵융합 연구자들은 위에서 언급된 주요 보고에 대해 적어도 정성적인 재현성은 있다고 생각한다. 반면, 비판적인 의견으로는 다음과 같은 것들이 있다.

  • 이러한 실험 결과는 현대 물리학의 상식적인 이론과 너무나 동떨어져 있다. 새로운 이론도 구축되지 않았다.
  • 중성자나 γ선이 예상보다 적거나 검출되지 않는 것은 핵반응이 없다는 강력한 증거이다.
  • 과잉 열이나 생성물의 실험 결과가 재료의 오염, 측정의 오류, 또는 결과 해석의 오류였던 사례가 많이 존재한다.
  • 특허 취득 등의 동기에서 결과 검증에 필요한 데이터를 충분히 공개하지 않거나, 숨기는 사례가 많이 존재한다.
  • 상온 핵융합 연구자들의 논문은 대조 실험이 충분하지 않거나, 기기의 교정이 제대로 이루어지지 않는 등, 이러한 현상이 일어났다고 증명하기에는 불충분한 경우가 많다.
  • 신뢰할 수 있는 큰 연구 기관일수록 현상 발생을 보고하는 사례가 적다.
  • 신뢰할 수 있는 피어 리뷰 (peer review) 논문지에 게재되는 사례가 적다.


현대에는 마지막 항목이 중요하며, 과학적으로 증명된 논의, 사항으로 취급되기 위해서는, 신뢰할 수 있는 피어 리뷰 논문지, 예를 들어 Web of Science나 Scopus에 등록된 저명한 국제적 과학 전문 논문 심사에 합격하여 게재 출판되는 것이 필수 조건이다. 그 논문 출판을 통해 연구 성과가 판정되고, 연구 예산의 분배가 이루어지고 있다. 텔레비전 인터뷰, 신문 기사, 일반 잡지 기사, 인터넷 상에서의 배포, 또는 미발표 연구만으로는 신뢰할 수 있는 과학적 성과로 인정되지 않는다.

이 점에 대해 휴 프라이스(Hugh Price)는 2022년 1월에 발표한 논문에서, 상온 핵융합의 실용화에 대한 보증은 전혀 없다는 것을 밝힌 다음, 상온 핵융합이 기후 변화라는 지구 규모의 문제를 해결할 가능성을 가지고 있음에도 불구하고, 30년도 더 전에 있었던 한 번의 실패 사례로 인해 "세평의 덫(reputation trap)"에 빠져, 피어 리뷰 논문지 게재를 포함하여, 필요 이상으로 세상에 받아들여지기 어려운 상태가 계속되고 있다고 경고하고 있다[137]。

2009년 8월에는 고베 대학 기타무라 아키라, 오사카 대학 다카하시 아키히토 등의 그룹에 의한 아라타 방식의 추적 실험이 국제적인 물리학 심사를 거치는 학술지인 「Physics Letters A」[138]에 게재되는 등, 조금씩이나마 저명 학회지에 게재되는 사례도 늘어났다.

1990년대에 많은 일본 기업이 상온 핵융합 연구에서 철수했지만, 그 후에도 연구를 계속한 미쓰비시 중공업의 이와무라 야스히로 그룹(도호쿠 대학 특임 교수), 아이신(테크노바)의 다카하시 아키히토(오사카 대학 명예 교수)와 기타무라 아키라(고베 대학 교수) 그룹, 미즈노 타다히코 (수소 기술 응용 개발 주식회사, 전 홋카이도 대학 조교수) 그룹, 2000년대에 들어서 새롭게 참여한 도요타 중앙 연구소 그룹 등에서 현재도 연구가 지속되고 있다.

2014년 4월 8일, 일본경제신문은 미쓰비시 중공업의 이와무라 야스히로 그룹이 중수소를 사용하여 적은 에너지로 원소 종류를 바꾸는 원소 변환 기반 기술을 확립했다고 보도했다.[139]

2015년 4월 1일, 도호쿠 대학과 주식회사 클린 플래닛은 응집계 핵반응에 의한 에너지를 이용한 새로운 청정에너지의 실용화를 목표로 하는 응용 개발 연구에 임하기 위해 도호쿠 대학 전자광리 학 연구 센터 내에 「응축계 핵반응 연구 부문 클린 에너지 연구 개발 센터」를 설립했다.[142] 카사기 지로타(도호쿠 대학 명예 교수), 이와무라 야스히로 (도호쿠 대학 특임 교수), 키쿠나가 히데토시(도호쿠 대학 준교수), 이토 타케히코(도호쿠 대학 객원 준교수), 미즈노 타다히코 (수소 기술 응용 개발 주식회사, 2021년 퇴사), 요시노 히데키 (도호쿠 대학 공동 연구원)가 당 공동 연구 부문의 연구자로서 이름을 올리고 있다.[141] 응축계 핵반응을 내건 대학의 연구 부문은, 당 연구 부문이 일본 국내 최초이다.[142] 동 연구 부문은, 내각부가 추진하는 혁신적 연구 개발 추진 프로그램(ImPACT)의 일환으로서, 「핵 폐기물 제염 연구 프로젝트」에도 임했다[143]。

2023년 4월부터는, 열・전기 에너지 기술 재단(TEET)이 「새로운 수소 에너지의 혁신(상온 핵융합, 응집계 핵과학 및 그것들로부터 파생된 기술)[144]」조사 프로젝트(예산 9250만엔)가 시작되었다. 규슈 대학, 고베 대학, 와세다 대학, 도호쿠 대학, 이와테 대학의 연구 그룹이 참여하고 있다.[145] 고베 대학의 카네자키 등은 나노 금속 수소 핵반응 에너지(MHE)의 연구 개발 벤처 설립을 상정하고 연구를 진행하고 있거나,[146] 와세다 대학의 나이토 등은 방사선을 내지 않는 응축계 핵반응 리액터를 이용한 소립자의 엔진 Fusine(Fusion engine)의 연구[147][148]를 하는 등 응용 및 비즈니스화 등의 연구도 활발해지고 있다.

4. 1. 연구 사례


  • 플라이슈만-폰즈 실험: 1989년 유타 대학교의 스탠리 폰즈와 마틴 프라이슈만은 팔라듐 음극과 중수를 사용한 전기분해 실험에서 과잉 열과 핵융합 생성물을 주장했다.[168] 그러나 MIT 등 다른 연구기관에서 재현에 실패했고, 미국물리학회는 이들의 주장이 근거가 없다고 결론내렸다.[169]

  • 에너지 캐털라이저(E-Cat): 이탈리아의 세르지오 포카르디와 안드레아 로씨는 수소와 니켈 분말을 사용하는 E-Cat라는 장치가 상온 핵융합을 일으킨다고 주장했다.[185] 세르지오 포카르디는 15g의 니켈과 1g의 수소로 30-40와트의 에너지를 생산했다고 발표했다.[178]

  • 기타 연구 사례:

  • 1989년 북한 노동신문은 김일성대 연구팀이 백금 전극과 팔라듐 전극을 중수 속에서 전기분해해 상온 핵융합에 성공했다고 보도했다.[171]
  • 1990년 아이다호 주립대학교 케네스 팔러 교수는 중수소가스가 담긴 병에 티타늄금속 막대를 넣어 핵융합반응을 얻었다고 발표했다.[172]
  • 1992년 NTT 기초과학연구소의 야마구치 에이이치 박사는 상온핵융합 실험에서 헬륨이 발생하는 것을 확인했다고 발표했다.[176]
  • 2005년 UCLA 연구팀은 수정을 이용해 상온 핵융합 실험에 성공, 네이처에 게재했다.[179]
  • 2009년 미국 버지니아주의 JWK사는 미국화학협회(ACS)에서 미 해군연구소와 공동으로 저에너지 핵반응(LENR)을 실시, 성공했다고 발표했다.[182]
  • 2010년 북한 노동신문은 핵융합 실험에 성공했다고 발표했다.[183]
  • 이스라엘의 에너제틱스 테크놀로지, 미국의 SRI 인터내셔널, 이탈리아 ENEA의 합동 팀은 표면 처리된 팔라듐 전극을 사용한 중수 전기 분해에서 입력의 10배 이상의 과잉 열을 발생시켰다고 발표했다.[123][124]
  • 2008년 홋카이도 대학 대학원의 미즈노 타다히코는 수소와 탄소를 가열함으로써 탄소 13이 대량으로 발생하고, 질소와 과잉 열을 검출했다고 발표했다.[127]
  • 경수-니켈 시스템, 가스 방전, 플라즈마 전기분해 등 다양한 실험 조건에서 과잉 열, 핵 변환, 핵 생성물 보고가 있었다.

  • 미국 에너지부의 검토: 2004년 미국 에너지부는 저온 핵융합에 대한 검토 보고서를 발표했다. 검토자들은 과도한 전력 생산 증거를 받아들인 사람들조차도 효과가 재현되지 않고, 크기가 증가하지 않았으며, 많은 실험이 제대로 문서화되지 않았다고 지적했다.[56]

  • 최근 연구:

  • 미쓰비시 중공업은 중수소를 사용하여 적은 에너지로 원소 종류를 바꾸는 원소 변환 기반 기술을 확립했다.[139]
  • 도호쿠 대학과 클린 플래닛은 응집계 핵반응에 의한 에너지를 이용한 새로운 청정에너지 실용화를 위한 연구를 진행하고 있다.[142]
  • 열・전기 에너지 기술 재단(TEET)은 「새로운 수소 에너지의 혁신(상온 핵융합, 응집계 핵과학 및 그것들로부터 파생된 기술)」 조사 프로젝트를 시작했다.[144]

4. 2. 이론적 고찰

상온 핵융합 현상을 설명하기 위해 다양한 이론들이 제안되었지만, 아직까지 모든 현상을 만족스럽게 설명하는 이론은 없다.

  • 다카하시 아키토 (오사카대학 명예교수): 정사면체 응축(TSC) 이론[123]
  • 알란 위덤(노스웨스턴 대학교), 루이스 라르센: 위덤-라르센 이론[133]
  • 피터 헤겔슈타인(MIT): 포논 커플링 모델[134]
  • 코지마 히데오(시즈오카 대학 명예교수): TNCF(Trapped Neutron Catalyzed Fusion, 포획 중성자 촉매 기구) 모델[135]
  • 마츠모토 타카아키(홋카이도 대학 조교수): 낫토 모델[136]


수소와 그 동위 원소가 팔라듐 수소화물과 같은 특정 고체에 높은 밀도로 흡수될 수 있다는 가설이 제시되었다. 이는 높은 부분 압력을 생성하여 수소 동위 원소의 평균 간격을 줄인다. 그러나 이 간격 감소는 원래 실험에서 주장된 융합 속도를 10배나 증가시킬 만큼 충분하지 않다.[71] 팔라듐 내부의 더 높은 수소 밀도와 더 낮은 전위 장벽이 쿨롱의 법칙을 단순히 적용하는 것보다 낮은 온도에서 융합의 가능성을 높일 수 있다는 주장도 제기되었다. 2004년 미국 에너지부(DOE) 위원회에 팔라듐 격자 내 음전하를 띤 전자에 의한 양전하를 띤 수소 핵의 전자 스크리닝이 제안되었지만, 위원회는 이론적 설명이 설득력이 없고 현재의 물리학 이론과 일치하지 않는다고 결론 내렸다.

5. 국제 학회 및 연구 동향

국제상온핵융합학회(ISCMNS)가 주최하는 국제상온핵융합회의(ICCF)는 상온 핵융합 분야의 주요 국제 학술대회이다.[164] 1989년 미국 뉴멕시코 주 산타페에서 제1회 회의가 개최된 이후, 세계 각국의 최신 연구 동향이 발표되고 있다.[164] ICCF는 유럽, 미국, 아시아 국가들을 순회하며 개최된다.[164]

미국, 일본, 이탈리아, 인도 등에서 상온 핵융합 연구가 진행되고 있으며, 일부 국가에서는 정부 지원을 받는 연구 프로젝트도 진행되고 있다.

국가내용
일본도호쿠 대학에 응축계 핵반응 연구 부문이 설치되어 상온 핵융합 연구를 진행하고 있다.[142] 통상산업성은 1992년부터 1997년까지 2000만달러 규모의 "신 수소 에너지(NHE)" 프로그램을 지원했다.[57]
미국DARPA(국방고등연구계획국)가 상온 핵융합 관련 연구에 예산을 지원하고 있으며,[151] NASA도 상온 핵융합에 관심을 보이고 있다.[155][156]
인도1990년대에 연구가 중단되었으나, 2008년 국립 첨단 연구소의 권고로 연구가 재개되었다.[60]



최근에는 상온 핵융합을 응용한 기술 개발 및 사업화 연구도 활발해지고 있다. 열・전기 에너지 기술 재단(TEET)은 2023년 4월부터 "새로운 수소 에너지의 혁신" 조사 프로젝트를 시작했다.[144]

6. 영화

아이언맨은 가슴에 팔라듐으로 만든 상온 핵융합로인 아크 원자로를 장착하고 있다. 아이언맨 2에서는 팔라듐 중독을 해결하기 위해 새로운 물질인 비브라늄으로 상온 핵융합로를 만든다.[86]

마이클 케인과 로저 무어가 출연한 1990년 영화 ''불스아이!''는 플라이슈만-폰스 실험을 언급했다.[86] 1997년 영화 ''세인트''는 플라이슈만-폰스 사건과 유사한 줄거리를 가지고 있다.[86]

2000년 드라마 ''라이프 포스''의 10번째 에피소드("파라다이스 아일랜드")는 상온 핵융합을 소재로 다룬다.[86] 2023년 게임 ''원자 하트''에서 상온 핵융합은 거의 모든 기술 발전의 원동력으로 묘사된다.[87]

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