인공지능의 한계가 어디일지 알기 어려울 정도로 확장하고 발전하는 요즘 심도있는 연구개발에도 인공지능이 사용된다고 합니다. 이번 포스팅에서는 구글의 인공지능이 핵에너지 개발에 참여하는 내용을 담은 IEEE Spectrum 글을 소개합니다.
개요
2014년, 저는 구글에서 원자력 에너지 연구 및 개발 그룹을 만들자는 대담한 제안을 경영진들에게 했습니다. 구글은 탐구적 연구를 지원하는 전통이 있는 회사였기 때문에, 다행히 이 제안이 조롱당하지는 않았습니다. 물론, 제가 구글이 직접 원자력 실험실을 건설하자고 제안한 것은 아니었지만, 다른 방식으로 기여할 수 있을 것이라는 확신이 있었습니다.
저는 회사 내에서 어느 정도 신뢰를 쌓고 있었습니다. 2000년, 저는 구글의 첫 엔지니어링 디렉터로 입사하여, 검색 결과 페이지에 광고를 배치하기 위해 기업들이 입찰하는 방식의 클릭당 지불 광고 시스템인 AdWords를 통해 회사가 수익을 창출하도록 도왔습니다. 이후 몇 년 동안 에너지에 관심을 가지게 되었고, 구글의 첫 에너지 효율적인 데이터 센터 설계팀에 참여했습니다. 그리고 2009년에는 구글의 이니셔티브 중 하나로, 재생 가능 에너지를 석탄보다 저렴하게 만드는 프로젝트(RE<C)에 참여하게 되었습니다.
비록 이 프로젝트는 예상했던 결과를 얻지 못했지만, 저는 이 과정에서 많은 것을 배울 수 있었습니다. 프로젝트의 일환으로 진행된 구글-맥킨지의 연구는 태양광과 풍력 같은 간헐적인 전력원이 안정적인 백업 전력원을 필요로 한다는 점을 명확히 보여주었습니다. 따라서, 비용 효율적으로 전력을 탈탄소화하려면 항상 이용 가능하거나 지속적으로 전력을 공급할 수 있는 수력, 지열, 원자력 발전소가 중요한 역할을 한다는 점을 깨달았습니다.
저는 캐나다 온타리오주에서 자랐습니다. 이곳은 1970년대에 원자력 발전소를 도입하여 친환경적인 전력망을 구축한 지역입니다. 최근 원자로 설계의 발전은 원자력 발전소가 합리적인 비용으로 사회의 탄소 배출을 대폭 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 안전하게 운영되고 핵폐기물 문제도 책임감 있게 처리할 수 있음을 보여주었습니다. RE<C 프로젝트 이후인 2012년, 저는 개인적으로 원자력에 대한 관심이 높아졌고, 환경론자들이 원자력이 화석 연료로부터의 전환을 돕는 동시에 개발도상국의 빈곤 해소에 기여할 수 있다고 주장한 다큐멘터리 Pandora’s Promise의 총괄 프로듀서로 활동하게 되었습니다. 이 영화 제작 경험을 통해 몇몇 훌륭한 인맥을 쌓았고, 구글이 원자력 발전을 진전시키는 데 참여하도록 만들겠다는 결심을 하게 되었습니다.
원자력 에너지 연구 및 개발 그룹(Nuclear Energy R&D Group, 애칭 NERD)의 제안된 계획은 비슷한 생각을 가진 동료들의 의견을 바탕으로 이루어졌습니다. 우리가 해결할 수 있는 문제는 외부와 협력할 수 있는 파트너뿐만 아니라 구글의 주요 강점인 인력, 도구, 역량, 그리고 명성을 고려하여 결정되었습니다. 저는 즉각적인 영향을 미칠 수 있는 핵융합 연구, 도전적인 “급진적 목표”에 초점을 맞춘 장기적 연구, 그리고 워싱턴 D.C.에서의 혁신 옹호를 포함한 세 가지 전략적 접근을 제안했습니다. 몇 년 후, 우리는 첨단 분야인 핵 여기(nuclear excitation) 연구를 후원하는 프로그램도 추가했습니다. 10년 전에 시작된 NERD 프로젝트는 오늘날까지도 성과를 내고 있습니다.
이 모든 프로그램은 제가 모든 대화 상대에게 던진 질문에서 시작되었습니다. “구글이 원자력 에너지의 미래를 가속화하기 위해 무엇을 할 수 있을까?”
구글의 핵융합 연구
첫 번째 연구는 구글의 시니어 엔지니어인 테드 발츠(Ted Baltz)가 제안한 아이디어에서 시작되었습니다. 그는 캘리포니아 포트힐 랜치에 위치한 TAE Technologies의 핵융합 실험에 구글의 컴퓨터 과학 전문성을 접목하고자 했습니다. 테드는 머신러닝이 플라즈마 성능을 개선할 수 있다고 믿었습니다.
2014년 당시, TAE는 C-2U라는 대형 플라즈마 기계를 사용하여 실험하고 있었습니다. 이 기계는 수소 기체를 섭씨 100만 도 이상의 온도로 가열한 후 두 개의 플라즈마 고리를 생성하여, 시속 960,000km 이상의 속도로 충돌시켰습니다. 강력한 자석은 결합된 플라즈마 고리를 압축하여 수소를 융합하고 에너지를 생성하는 것을 목표로 했습니다. TAE와 다른 모든 상업용 핵융합 발전소를 개발하는 회사들이 직면한 과제는, 플라즈마를 손상 없이 충분히 오랫동안 가열하고, 가두고, 제어하여 실질적인 에너지 출력을 얻는 방법을 찾는 것이었습니다.
TAE의 원자로는 약 10분마다 한 번씩 “샷”을 발사할 수 있었으며, 각 샷은 약 10밀리초 동안 지속되며 방대한 데이터를 생성했습니다. 플라즈마 형성 펄스의 타이밍과 에너지, 자석 제어 방법 등 100개 이상의 설정을 샷 간 조정할 수 있었습니다. 테드 발츠(Ted Baltz)는 TAE 연구진이 일종의 엔지니어링 최적화 문제에 직면했다고 보았습니다. 플라즈마를 안정적으로 유지하고 핵융합 조건으로 유도하는 최적의 방법을 가능한 한 빨리 알아내기 위해 어떤 설정을 조정해야 할지를 결정하는 일이었습니다.
플라즈마를 가두고 압축하며 형태를 제어하기 위해, TAE는 자기장을 활용한 특별한 방식인 Field-Reversed Configuration을 개발했습니다. 이 방식은 에너지가 증가함에 따라 더 안정적으로 작동할 것으로 예상되었는데, 이는 플라즈마를 가열할수록 제어가 어려워지는 다른 방법들에 비해 유리한 점이었습니다. 그러나 TAE는 이 예측이 정확한지 실험을 통해 확인해야 했습니다.
각 새로운 샷에 시도할 설정을 결정하는 데 도움을 주기 위해 발츠와 그의 팀은 옵토메트리스트 알고리즘(Optometrist Algorithm)을 개발했습니다. 안과에서 의사가 렌즈를 뒤집으며 “A가 더 잘 보이나요, B가 더 잘 보이나요?”라고 묻는 것처럼, 이 알고리즘은 최근 실험 결과 두 가지를 인간 운영자에게 제시합니다. 플라즈마 물리학 전문가인 이 운영자는 추가적인 매개 변수 조정을 위해 어느 실험을 바탕으로 할지 선택합니다.
이 방식은 머신러닝과 인간의 전문 지식이 이상적으로 결합된 사례였습니다. 알고리즘은 수천 가지 옵션을 탐색했고, 인간 전문가가 최종 결정을 내렸습니다. 옵토메트리스트 알고리즘 덕분에 TAE는 해당 실험 캠페인에서 가장 오랫동안 지속되는 플라즈마를 달성했으며, 알고리즘은 초기 발사 후 플라즈마 온도가 상승하는 예기치 못한 매개 변수 세트를 발견하기도 했습니다.
이 협업은 TAE의 차세대 기기인 노먼(Norman)으로 이어졌으며, 이 기기는 TAE의 초기 목표를 초과하는 높은 플라즈마 온도를 달성했습니다. 구글 팀은 또한 간접적인 여러 측정값으로부터 플라즈마의 변화하는 형태를 시간에 따라 추론할 수 있는 알고리즘을 개발하여, 샷의 수명 동안 플라즈마가 어떻게 변화하는지 TAE가 이해하도록 도왔습니다. 현재 TAE는 코페르니쿠스(Copernicus)라는 더 크고 새로워진 기기를 구축 중이며, 이는 핵융합 반응에서 방출된 에너지가 플라즈마를 가열하는 데 사용된 에너지와 동일한 수준이 되는 에너지 균형점(energy breakeven)을 목표로 하고 있습니다.
우리의 다년간 TAE와의 협업에서 얻은 부수적 이점 중 하나는 회사 내 엔지니어와 경영진이 핵융합에 대해 많은 지식을 얻게 된 것입니다. 이를 바탕으로 Alphabet은 2021년에 TAE와 Commonwealth Fusion Systems라는 두 핵융합 기업에 투자했습니다. 같은 시점에 구글 딥마인드(Google DeepMind)의 동료들은 토카막(tokamak) 핵융합 반응기의 플라즈마 제어를 위해 심층 강화 학습을 활용하고 있었습니다.
저에너지 핵반응
NERD의 도전적인 연구 분야 중 하나는 여전히 “냉융합(cold fusion)”으로 널리 알려진 **저에너지 핵반응(LENR)**이었습니다. 이 연구 분야는 1990년대 초에 철저히 비난받아 수십 년간 사실상 연구가 금기시되었던 분야입니다.
냉융합의 역사는 1989년으로 거슬러 올라갑니다. 당시 전기화학자인 마틴 플라이슈만(Martin Fleischmann)과 B. 스탠리 폰스(B. Stanley Pons)는 상온에 가까운 전기화학적 셀이 과도한 열을 생성하고 있으며, 이는 전형적인 핵융합 반응의 높은 온도와 압력을 요구하지 않는 “냉융합”으로만 설명될 수 있다고 주장했습니다. 그들의 성급한 발표는 언론의 열광을 불러일으켰지만, 서둘러 진행된 결과 재현 시도가 실패하면서 이들의 주장은 신속하고 강하게 반박되었습니다. 수십 년이 지난 후에도 신뢰할 수 있는 학술지에서 확인된 사례는 없었고, 이 주제는 사실상 종결된 듯했습니다.
그러나 2010년대 초, 이탈리아 사업가 안드레아 로시(Andrea Rossi)가 에너지 촉매장치(Energy Catalyzer, E-Cat)라고 부르는 저에너지 핵장치로 주목받기 시작했습니다. 구글러들은 호기심이 많아 이 발전에 대해 회의적인 관심을 가졌습니다. 저는 이미 2013년 다큐멘터리 Pandora’s Promise의 시사회에서 만난 벤처 투자자 맷 트레비틱(Matt Trevithick)과 LENR에 대해 논의하고 있었습니다. 그는 한 가지 흥미로운 아이디어를 제안했습니다. “신뢰할 수 있는 새로운 과학자 그룹이 냉융합이 가설로 제시된 환경을 조사하면 어떤 일이 일어날까?” 구글은 외부 전문가 팀이 창의적인 자유를 가지고 객관적인 연구를 수행할 수 있도록 필요한 자원과 지원을 제공할 수 있으며, 또한 이들의 연구를 보호할 수 있었습니다. 트레비틱의 제안은 NERD의 두 번째 축이 되었습니다.
트레비틱은 고체 물질의 특이한 상태가 냉융합을 유발할 수 있다는 가능성에 열린 자세를 가진 과학자들을 탐색해왔습니다. 구글은 이 프로그램에 승인을 내렸고, 트레비틱을 리더로 영입해 약 12개의 프로젝트와 30명 이상의 연구자를 지원했습니다. 이 연구를 통해 연구진이 측정 장비의 오차 범위를 넘어서는 특이하고 설명할 수 없는 열 피크나 핵 활동의 증거와 같은 이상 현상을 발견할 수 있기를 희망했습니다. 궁극적인 목표는 이러한 이상 현상을 일관되게 재현할 수 있는 실험 프로토콜을 개발하는 것이었습니다. 간단한 비핵적 설명을 뒷받침하는 결과를 포함하여 우리가 배운 모든 것을 공개하겠다는 우리의 약속은 학문적 협력자들에게 과학적 엄격성의 기대를 심어주었습니다.
연구팀은 높은 사기와 활발한 소통을 유지했으며, 주요 연구원들은 분기별로 대면 체크인을 통해 의견을 교환했고, 학술 연구팀은 연례 워크숍에 참여했습니다. 이는 제가 과학 연구 그룹과 함께 하며 가장 즐거웠던 경험 중 하나였습니다. 주요 연구원들과 학생들은 뛰어나고 호기심이 많았으며, 그들의 실험실은 제작 전문성을 보유하고 있었고, 모두가 설계 및 수행 중인 실험에 대해 진지한 관심을 가지고 있었습니다.
2015년부터 2018년까지 진행된 4년간의 프로그램 동안, 후원받은 연구진들은 냉융합과 관련된 이상 현상의 신뢰할 만한 증거를 발견하지 못했습니다. 하지만, 연구에 참여한 모두가 이 작업과 엄격한 연구 방법론에서 긍정적인 경험을 얻었습니다. 이 프로그램은 28편의 피어 리뷰 논문을 출판했으며, 그중 백미는 2019년에 발표된 *”Revisiting the Cold Case of Cold Fusion”*입니다. 이 논문에서 우리는 프로그램의 동기와 결과를 설명하며, 이 분야에서의 신뢰할 수 있는 과학 연구가 학술지에 게재될 수 있음을 보여주었습니다.
이 프로젝트는 제 오랜 신념을 확인시켜 주었습니다. 신뢰할 수 있는 과학자들이 유행하지 않는 주제에 대해 연구하는 것을 주저해서는 안 된다는 것입니다. 좋은 과학은 우리의 세상을 깊이 이해하게 하고, 예기치 못한 응용으로 이어질 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 브리티시컬럼비아대학교에서 구글의 지원을 받아 수행된 실험은 수소 원자를 무거운 동위원소인 중수소로 치환한 *중수소화 약물(deuterated drugs)*을 만드는 새로운 방법을 발견했습니다. 이러한 약물은 낮은 용량으로 효과를 발휘하며 부작용을 줄일 가능성이 있습니다.
비록 냉융합에 대한 신뢰할 만한 증거를 얻지 못했지만, 우리는 이 프로젝트를 성공적이라고 평가합니다. 2021년 10월, 트레비틱은 에너지 고등연구계획국(ARPA-E)이 주최한 저에너지 핵반응(LENR) 워크숍에 초청되어 발표를 했습니다. 그리고 2022년 9월, ARPA-E는 LENR을 탐구 주제로 삼아 최대 1천만 달러를 지원하겠다고 발표했습니다. 이 발표에서는 구글의 지원을 받아 Nature에 발표된 연구를 포함하여 LENR 관련 최신 기술과 방법론에서 이룬 진전을 언급했습니다.
워싱턴 D.C.에서의 원자력 정책 옹호
새로운 원자력 에너지 산업을 구축하는 것과 같은 대규모 도전 과제는 단일 기업이 감당할 수 있는 일이 아닙니다. 정책 환경의 지원이 필수적입니다. 구글이 이를 도울 수 있을까요? 이것은 NERD의 세 번째 노력이었습니다. Pandora’s Promise 시사회에서 만난 지 1년 후, 기후 자선가 레이첼 프리츠커(Rachel Pritzker), 벤처 투자자 레이 로스록(Ray Rothrock), 그리고 몇몇 구글 직원들이 모여 차기 계획을 논의했습니다. 프리츠커는 워싱턴 D.C.에 기반을 둔 싱크탱크인 Third Way와 협력하여 첨단 원자력 에너지 혁신을 가속화할 수 있는 정책 경로를 모색할 것을 제안했습니다. 여기서 첨단 원자력은 기존의 수냉식 핵분열 원자로와는 다른 새로운 원자로 설계를 주로 의미합니다.
첨단 원자로는 안전성, 효율성, 폐기물 관리, 그리고 확산 저항성에서 개선점을 제공할 수 있지만, 새로운 기술인 만큼 정부의 정책 지원 없이는 상업적 성공을 거두기 어렵습니다. Third Way의 분석가들은 첨단 원자력이 심각한 정치적 분열 속에서도 초당적이라는 사실을 발견했고, 새로운 법안을 추진할 기회가 있다고 믿었습니다.
당시 미국 원자력 규제위원회(NRC)가 상업용 원자로 설계를 승인할 수 있는 유일한 체계는 1950년대에 도입된 경수로 기술에 기반한 것이었습니다. 이는 혁신가와 투자자들에게 좌절감을 안겨주었으며, 새로운 기술이 시장에 진입하기 전 불필요한 장애물을 초래했습니다. 첨단 원자력 에너지가 진전을 이루기 위해서는 정책 변화가 필요했습니다.
2015년 6월, Third Way는 백악관 행정청사에서 첨단 원자력 에너지를 주제로 한 회의를 조직했습니다. 이 회의는 에너지부, 국가핵안보국(NNSA), NRC, 국가안보국(NSA), 국무부, 상원 등 약 60명의 대표자가 모인 놀라운 자리였습니다. 많은 참석자들은 미국이 첨단 원자력 분야의 리더십을 상실한 것에 대한 우려를 열정적으로 표현했습니다. 미국 정부의 여러 부처에서는 새로운 정책을 통해 이 상황을 변화시키고자 했습니다. 우리는 이들의 목소리에 귀를 기울였습니다.
맞춤형 핵반응의 가능성
2018년, 냉융합 연구가 마무리되던 시점에서 제 매니저인 존 플랫(John Platt)은 제게 “다음으로 무엇을 할 것인가?”라고 물었습니다. 저는 특정 원자에만 영향을 미치고, 에너지를 추출하며, 무해한 부산물만 생성하는 *맞춤형 핵반응(designer nuclear reactions)*이 가능할지 궁금해졌습니다. 최신 핵과학을 조사하던 중, 핵 여기(nuclear excitation) 기술이 이러한 가능성을 제공할 수 있음을 보게 되었습니다.
핵 여기는 원자 내부의 핵이 다른 에너지 상태로 전이하여 붕괴 가능성이 변화하는 현상입니다. 저는 일리노이 주의 아르곤 국립연구소에서 핵 여기 관찰에 성공한 실험 논문에 흥미를 느꼈습니다. 연구진은 고속으로 몰리브데넘 원자를 납과 충돌시켜 이 현상을 관찰했습니다. 곧이어 스위스 EPFL 연구진은 테이블톱 레이저와 전자 가속기를 이용해 핵 여기를 달성할 수 있는 과학적으로 도전적인 접근법을 제안했습니다. 저는 이 기술이 어떤 가능성을 제공할 수 있을지 알아보고 싶었습니다.
UC 버클리의 리 번스타인(Lee Bernstein) 박사와의 대화 끝에, 그는 방사성 원소 아메리슘의 핵을 여기시켜 더 무해한 형태로 변환하려는 실험 계획을 제안했습니다. 이는 핵폐기물을 우주 임무의 원자로 연료로 변환할 수 있는 가능성을 열 수 있습니다. 이 연구는 DARPA의 주목을 받아 암 치료에 사용되는 희귀 방사성 동위원소 생산 연구로 이어지고 있습니다.
이러한 첨단 연구와 정책 지원이 결합되어 원자력 기술의 진보를 가능하게 하고, 비정치적인 분야로 자리 잡게 된 점은 놀라운 진전이라 할 수 있습니다.
원자력 에너지는 기후 문제 해결의 중요한 열쇠
기후 변화에 대처하기 위해 오늘날 이미 성숙한 기술에 모든 자원을 투입하자는 의견이 있습니다. 이른바 “지지 않기 위한 전략”은 승리 가능성이 높을 때는 합리적일 수 있습니다. 하지만 기후 문제에서는 이 전략이 통하지 않습니다. 현재 기술만으로는 승리 가능성이 그리 높지 않기 때문입니다. **기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)**의 보고에 따르면, 현재와 같은 배출 추세는 지구를 섭씨 2도 이상의 온난화로 이끄는 경로에 있습니다. 따라서 기후 문제에서는 인류가 “이기기 위한 전략”을 사용해야 합니다. 에너지 비용을 획기적으로 낮춰 경제적, 정치적으로 지속 가능한 전환을 가능하게 할 게임 체인징 기술에 과감히 투자해야 합니다.
구글이 단기적, 장기적 스펙트럼에 걸쳐 다양한 도전을 하고 있다는 점이 자랑스럽습니다. 여기에는 구글의 NERD 프로그램을 통해 원자력 에너지 연구개발(R&D)을 진전시킨 노력이 포함됩니다. 우리의 프로젝트는 다음 질문들에 답하고자 했습니다: 왜 이 연구를 해야 하는가? 왜 이 사람들과 함께 해야 하는가? 왜 지금 해야 하는가? 그리고 왜 구글인가? 저는 구글 에너지 연구 부문의 매니저들이 탐구적 연구와 혁신을 지향하는 정책 옹호를 지원해 주신 점에 감사하며, 구글 생태계 전체에서 유사한 목표를 위해 노력하는 동료들에게도 깊은 감사를 표합니다. 운과 노력, 그리고 협력자들 덕분에, 이 프로그램의 성과는 우리의 기대 이상이었습니다. 다양한 사람들의 지속적인 노력과 다각화된 자금 지원을 통해 이 작업은 형태를 바꿔가며 더욱 성장하고 강화되었습니다.
Pandora’s Promise 시사회에서 몇 차례 우연히 나눈 대화가 제 경력에서 가장 활기찬 10년을 만들어줄 것이라고는 상상도 못 했습니다. 제가 경험한 열정과 헌신 덕분에 더 나은 에너지원이 개발될 것이라는 확신이 들며, 이는 10억 명 이상의 사람들을 에너지 빈곤에서 구하고 우리의 에너지 시스템을 탈탄소화하는 데 기여할 것입니다. 그리고 원자력 에너지의 큰 성공은 모든 것을 바꿀 수 있는 결정적인 요인이 될 수 있습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 원자력 에너지가 기후 변화 문제 해결에 어떻게 기여할 수 있는지, 그리고 구글의 NERD 프로그램을 통해 이루어진 연구와 정책적 노력이 어떤 성과를 냈는지 살펴보았습니다. 원자력 에너지는 단순히 기술적 혁신을 넘어 경제적 지속 가능성과 에너지 빈곤 문제 해결에도 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 도전은 개별 기업이나 개인의 노력만으로 이루어질 수 없으며, 연구자, 정책 입안자, 기업 등 다양한 주체의 협력이 필요합니다. 앞으로도 구글과 같은 기업들의 혁신적인 도전이 계속되기를 기대하며, 원자력 에너지가 우리 모두를 위한 더 나은 미래를 만드는 데 중요한 역할을 하길 바랍니다.