인류는
어떤 불을 다뤄 왔나

남아프리카 원더워크 동굴에서 약 100만 년 전 불을 쓴 흔적이 발견됐습니다. 일상적이고 통제된 불의 사용은 수십만 년 전부터 확실해집니다.

• Control of fire by early humans ↗

익힌 음식은 소화가 쉽고 더 많은 열량을 흡수할 수 있습니다. 인류학자 랭엄은 요리 덕분에 소화기관에 쓰던 에너지를 뇌로 돌릴 수 있었고, 그것이 인간의 큰 뇌를 가능하게 했다는 가설을 제시했습니다. 모닥불 주변에 모여 이야기하는 사회적 시간도 생겼습니다.

• Richard Wrangham ↗

수렵채집인들은 불을 놓아 숲을 태우고 초원을 만들어 사냥감을 모았습니다. 불 덕분에 추운 지역으로 퍼져 나갈 수 있었고, 인간이 에너지로 자연을 대규모로 바꾼 첫 사례가 됐습니다.

비옥한 초승달 지대에서 시작된 농업은 같은 땅에서 훨씬 많은 식량을 얻게 했습니다. 이 잉여 에너지 위에서 도시와 문자, 수학, 그리고 성벽이 생겨납니다.

• Neolithic Revolution ↗

소, 말, 당나귀, 낙타를 가축화하면서 인간 근육보다 훨씬 강한 동력을 얻었습니다. 소 한 마리는 사람 몇 명분의 힘을 냅니다.

소가 끄는 쟁기가 등장해 괭이로 땅을 파는 것보다 훨씬 넓은 땅을 경작할 수 있게 됐습니다.

바퀴가 발명되고 동물의 힘과 결합해 수레가 생기면서 무거운 짐을 운반할 수 있게 됐습니다.

• Wheel ↗

이집트에서 나일강을 오가는 배에 돛을 달았습니다. 바람은 이후 수천 년 동안 해상 무역과 탐험의 동력이었습니다.

• Sail ↗

피라미드, 만리장성, 로마의 도로 같은 고대의 거대 건축물은 모두 사람의 근육으로 지어졌습니다. 고대 그리스와 로마에서 노예 노동은 사실상 가장 중요한 동력원이었습니다. 청동과 철을 녹이는 숯을 만들기 위해 지중해 연안의 숲은 크게 줄었습니다.

그리스 세계에서 흐르는 물로 바퀴를 돌려 곡식을 빻는 수차가 등장했습니다. 2세기경 로마의 남프랑스 바르브갈에는 언덕 비탈을 따라 수차 16개를 계단식으로 늘어놓은 고대 최대의 제분 단지가 있었습니다.

• Water wheel ↗
• Barbegal aqueduct and mills ↗

알렉산드리아의 헤론은 증기를 뿜으며 회전하는 공을 만들었습니다. 원리상 증기기관의 조상이지만 신전의 신기한 장난감으로만 쓰였습니다. 값싼 노예 노동 때문에 기계가 필요 없었다는 설, 정밀한 금속 가공 기술이 없었다는 설 등 여러 해석이 있습니다.

• Aeolipile ↗

페르시아에서 수직축 풍차가 나왔고, 12세기 유럽에서는 날개가 수평축으로 도는 풍차가 발전했습니다. 강이 없는 평지에서도 동력을 얻을 수 있게 됐습니다.

• Windmill ↗

말의 목을 조르지 않고 어깨로 끌게 하는 목걸이와 쇠 편자가 보급되면서, 말이 소보다 훨씬 빠르고 효율적으로 쟁기와 수레를 끌게 됐습니다. 유럽의 농업 생산성이 크게 올랐습니다.

• Horse collar ↗

숲이 부족해진 송나라는 석탄을 대량으로 쓰기 시작했고, 석탄으로 철을 대량 생산해 당시 철 생산량이 산업혁명 직전의 유럽 전체에 맞먹었다는 추정도 있습니다. 그러나 이 흐름은 이어지지 못했고, 왜 중국이 아니라 영국에서 산업혁명이 일어났는가는 지금도 큰 논쟁거리입니다.

• Great Divergence ↗

잉글랜드의 토지 조사 기록에는 수차가 약 5,600개 기록돼 있습니다. 곡식 빻기뿐 아니라 모직물 다듬기, 대장간 풀무, 제재, 제지에도 쓰였습니다.

• Domesday Book ↗

네덜란드는 수천 개의 풍차로 물을 퍼내고 나무를 켜고 곡식을 빻았고, 습지에서 캐낸 이탄을 연료로 써서 유럽에서 가장 부유한 나라가 됐습니다. 렘브란트와 페르메이르의 황금시대가 이 에너지 위에 있었습니다.

물리학의 진공과 기압 연구가 증기기관의 바탕이 됐습니다. 게리케는 공기를 뺀 금속 반구를 말 여러 마리가 끌어도 떼어 내지 못하는 실험으로 대기압의 엄청난 힘을 보여줬습니다. 1690년 파팽은 증기를 응축시켜 진공을 만들고 대기압으로 피스톤을 움직이는 원리를 제시했습니다.

• Magdeburg hemispheres ↗

인구가 늘고 조선업과 제철업이 커지며 숲이 사라지자 영국은 연기 많고 냄새나는 석탄으로 난방을 바꿨습니다. 작가 존 이블린은 석탄 연기로 뒤덮인 런던의 대기오염을 고발하는 글을 썼습니다. 영국은 운 좋게 땅 밑에 석탄이 많았습니다.

세이버리는 증기를 이용해 탄광의 물을 빨아올리는 펌프를 특허 냈습니다. 위험하고 비효율적이었지만 증기 동력의 첫 실용화 시도였습니다.

에이브러햄 다비는 석탄을 구워 만든 코크스로 철을 제련하는 데 성공했습니다. 숲에서 나오는 숯이 필요 없어지자 철을 거의 무한정 만들 수 있게 됐습니다.

실린더에 증기를 넣고 찬물을 뿌려 응축시키면 진공이 생기고, 대기압이 피스톤을 밀어 내립니다. 연료의 약 1%만 일로 바뀌는 비효율적인 기관이었지만, 석탄이 사실상 공짜인 탄광 입구에서는 쓸 만했습니다.

• Newcomen atmospheric engine ↗

제임스 와트는 뉴커먼 기관 모형을 수리하다가, 증기를 실린더 밖의 별도 응축기에서 식히면 실린더를 계속 뜨겁게 유지할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 연료 효율이 몇 배로 좋아졌습니다. 그는 성능을 말 몇 마리 몫의 일로 표시했고(마력), 전력 단위 와트는 그의 이름에서 왔습니다.

• Watt steam engine ↗

와트는 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 장치를 붙였습니다. 이제 증기기관이 물 퍼내기뿐 아니라 공장의 모든 기계를 돌릴 수 있게 됐고, 강가가 아니라 어디에나 공장을 지을 수 있게 됐습니다. 노동자들이 도시로 몰려들고 맨체스터 같은 공업 도시가 폭발적으로 성장합니다.

• Industrial Revolution ↗

미국의 풀턴이 상업 증기선을 운항했고, 이후 증기선은 바람에 의존하지 않고 대양을 건너게 됩니다. 철갑선과 제국주의의 바탕이 됩니다.

카르노는 열기관의 효율에 이론적 한계가 있는지를 묻고, 효율이 뜨거운 쪽과 차가운 쪽의 온도 차이에만 달려 있다는 것을 보였습니다. 이어 줄, 헬름홀츠, 클라우지우스, 켈빈이 에너지 보존과 엔트로피 법칙을 세웁니다. 보통은 과학이 기술을 낳지만, 증기기관은 이론 없이 먼저 만들어졌고 열역학이 그것을 이해하려다 태어났습니다.

• Carnot's theorem (thermodynamics) ↗

전년도 스티븐슨의 증기기관차 ‘로켓’이 경주에서 우승했고, 최초의 본격적인 여객·화물 철도가 개통됐습니다. 인간이 처음으로 말보다 빠르게 육지를 이동하게 됐습니다.

• Liverpool and Manchester Railway ↗

밤을 밝히는 고급 기름이던 고래기름은 남획으로 값이 치솟았습니다. 드레이크가 펜실베이니아에서 기계로 땅을 뚫어 석유를 뽑아냈고, 정제한 등유가 고래기름을 대체했습니다. 초기에 휘발유는 쓸모없는 부산물이라 버려졌습니다.

• Drake Well ↗

경제학자 제번스는 『석탄 문제』에서 와트가 증기기관의 효율을 높였는데도 석탄 소비가 폭발적으로 늘었다고 지적했습니다. 효율이 좋아지면 에너지 사용이 싸지고, 더 많은 곳에 쓰게 되기 때문입니다. 지금도 에너지 절약과 AI 데이터센터 전력 논쟁에서 계속 인용됩니다.

• Jevons paradox ↗

록펠러는 미국 석유 정제의 대부분을 장악해 역사상 가장 부유한 사람 중 하나가 됐습니다. 1911년 독점금지법으로 회사가 30여 개로 쪼개졌고, 그 후손이 지금의 엑손모빌, 셰브런 등입니다.

• Standard Oil ↗

오토가 4행정 가솔린 엔진을 만들었습니다. 연료를 실린더 안에서 직접 태우니 증기기관보다 훨씬 작고 가벼웠고, 버려지던 휘발유가 갑자기 핵심 연료가 됩니다. 1886년 벤츠의 가솔린 자동차, 1890년대 디젤의 디젤 엔진이 뒤를 잇습니다.

• Internal combustion engine ↗

에디슨은 1879년 오래 가는 백열전구를 실용화한 데 이어, 뉴욕에 최초의 상업 발전소를 열었습니다. 더 중요한 것은 발전소부터 전구까지를 하나로 묶은 전력 공급 시스템이었습니다. 원리는 패러데이의 전자기 유도입니다.

• Pearl Street Station ↗

파슨스는 증기로 바람개비를 빠르게 돌리는 터빈을 발명했습니다. 피스톤 기관보다 훨씬 효율적이고 크게 만들 수 있었습니다. 지금도 석탄, 가스, 원자력 발전소 대부분은 결국 물을 끓여 증기 터빈을 돌리는 방식입니다. 원자력 발전소도 거대한 주전자입니다.

• Steam turbine ↗

에디슨의 직류는 멀리 보내면 손실이 커서 발전소 근처에만 공급할 수 있었습니다. 테슬라와 웨스팅하우스는 변압기로 전압을 높여 멀리 보낼 수 있는 교류를 밀었고, 에디슨은 교류가 위험하다며 동물 감전 시연까지 하며 맞섰습니다. 1893년 시카고 만국박람회 조명과 나이아가라 폭포 수력발전소에서 교류가 이기면서 지금의 전력망 구조가 정해졌습니다.

• War of the currents ↗

화학자 아레니우스는 대기 중 이산화탄소가 두 배가 되면 지구 온도가 몇 도 오를 것이라고 계산했습니다. 당시에는 먼 미래의 이야기였습니다.

• Greenhouse effect ↗

포드는 값싼 모델 T를 내놓고 1913년 조립 라인을 도입해 자동차를 대중의 것으로 만들었습니다. 석유 수요가 폭발합니다.

• Ford Model T ↗

영국 해군 장관 처칠은 군함 연료를 석탄에서 석유로 바꾸기로 했습니다. 석유가 더 가볍고 효율적이며 배를 더 빠르게 만들었지만, 영국 땅에는 석유가 없었습니다. 영국 정부는 페르시아 석유 회사의 지분을 사들였고(지금의 BP), 이때부터 중동 석유를 둘러싼 지정학이 시작됩니다.

막대한 에너지로 공기 중 질소에서 비료를 만드는 공정이 대규모로 가동됐습니다. 지금 인류가 먹는 식량의 상당 부분이 이 비료 덕분입니다. 태양에서 식물, 식량으로 이어지던 1만 년의 사슬에 화석연료가 끼어든 것입니다.

• Haber process ↗

레닌은 전국 전기화 계획을 내놓으며 이렇게 말했습니다. 전기가 근대화 그 자체의 상징이었습니다. 세탁기, 냉장고, 진공청소기 같은 가전은 가사 노동, 특히 여성의 노동을 크게 바꿉니다.

미국은 대공황 시기 테네시 강 유역 개발청과 후버 댐(1936), 농촌 전기화 사업으로 도시에만 있던 전기를 농촌까지 보냈습니다.

• Tennessee Valley Authority ↗
• Hoover Dam ↗

사우디아라비아 다란에서 상업성 있는 거대 유전이 터졌고, 1930년대 쿠웨이트 등 중동에서 거대 유전이 잇따라 발견됐습니다. 같은 해 말 독일에서 우라늄 원자핵이 쪼개지는 핵분열이 발견됩니다. 쪼개질 때 나온 중성자가 다른 원자핵을 또 쪼개는 연쇄 반응을 순간적으로 일으키면 폭탄이고, 천천히 통제하면 발전소입니다.

• Nuclear fission ↗

미국이 일본에 석유 수출을 끊은 것이 진주만 공격의 주요 원인 중 하나였습니다. 독일은 코카서스 유전을 노렸고 석탄으로 합성 연료를 만들어 버텼습니다. 전차, 전투기, 항공모함 모두 석유로 움직였습니다.

페르미는 시카고에서 최초의 원자로로 통제된 연쇄 반응을 일으켰습니다.

• Chicago Pile-1 ↗

미국 아이다호의 실험로 EBR-I이 처음으로 원자력으로 전기를 만들어 전구 몇 개를 켰습니다. 1953년 아이젠하워는 유엔에서 ‘평화를 위한 원자력’ 연설로 원자력의 평화적 이용을 제안했습니다.

• Atoms for Peace ↗

소련 오브닌스크 원전이 처음으로 전력망에 전기를 공급했고, 1956년 영국 콜더홀, 1957년 미국 시핑포트가 뒤를 이었습니다. 같은 해 미국 해군의 리코버 제독은 원자력 잠수함 노틸러스호에 작고 튼튼한 경수로를 채택했고, 그 기술과 인력이 그대로 민간 발전소로 이어지면서 경수로가 세계 원자로의 주류가 됩니다. 기술사학자들은 이를 경로 의존성의 대표 사례로 꼽습니다.

• Obninsk Nuclear Power Plant ↗
• Light-water reactor ↗

미국 원자력위원회 위원장은 원자력 전기가 너무 싸서 계량할 필요도 없을 것이라고 호언했습니다.

벨 연구소가 실리콘 태양전지를 발명했습니다. 효율이 약 6%였고 너무 비싸서 처음에는 1958년 인공위성 뱅가드 1호 같은 우주 전원으로만 쓰였습니다.

• Solar cell ↗

지질학자 허버트는 미국 석유 생산이 1970년 무렵 정점을 찍고 줄어들 것이라고 예측했고, 실제로 그렇게 됐습니다. 그러나 세계적인 석유 정점은 새 유전과 셰일 기술 때문에 계속 미뤄졌습니다.

• Peak oil ↗

킬링이 하와이 마우나로아에서 대기 중 이산화탄소 농도를 정밀하게 측정하기 시작했고, 매년 꾸준히 올라가는 곡선이 기후 과학의 상징이 됐습니다.

• Keeling Curve ↗

사우디아라비아, 이란, 이라크, 쿠웨이트, 베네수엘라가 석유수출국기구를 만들었습니다. 1960년대 무렵 석유는 석탄을 제치고 세계 최대 에너지원이 됩니다.

• OPEC ↗

중동 전쟁 때 아랍 산유국들이 석유 수출을 끊으면서 유가가 몇 배로 뛰었습니다. 1979년 이란 혁명으로 2차 오일 쇼크가 왔습니다. 석유에 의존하는 것이 안보 문제라는 것을 깨달은 나라들은 에너지 절약, 연비 규제, 원자력, 재생 에너지에 처음으로 본격적인 관심을 갖습니다.

• 1973 oil crisis ↗

석유가 없는 프랑스는 오일 쇼크 직후 대규모로 원전을 짓기 시작해 지금까지 전기의 약 70%를 원자력으로 생산합니다. 같은 설계를 반복해서 지어 비용을 낮췄습니다.

• Nuclear power in France ↗

미국 스리마일섬 원전에서 냉각 실패로 노심 일부가 녹았습니다. 방사능 유출은 제한적이었지만 미국 대중의 원자력에 대한 신뢰가 크게 무너졌습니다.

• Three Mile Island accident ↗

오일 쇼크 이후 덴마크에서 풍력 발전이 본격적으로 발전했고, 이후 거대한 해상 풍력 단지로 커집니다.

• Wind power ↗

소련 우크라이나의 체르노빌 원전에서 안전 실험 중 원자로가 폭발해 대량의 방사능이 유럽 전역으로 퍼졌습니다.

• Chernobyl disaster ↗

기후변화에 관한 정부간 협의체가 설립됐고, 1997년 교토 의정서로 이어졌습니다. 산업혁명이 화석 에너지로 성장의 한계를 넘었다면, 그 대가가 기후 변화로 돌아오고 있었습니다.

• Intergovernmental Panel on Climate Change ↗

소니가 상용화한 리튬이온 배터리는 가격이 폭락하면서 전기차와 대규모 전력 저장을 가능하게 합니다(2019년 노벨 화학상). 날씨에 따라 들쭉날쭉한 태양과 바람의 약점을 배터리가 메우기 시작합니다.

• Lithium-ion battery ↗

태양은 수소 원자핵끼리 합쳐 헬륨이 되며 에너지를 냅니다. 지구에서는 1억 도 이상의 플라스마를 강력한 자기장으로 가둬야 하고, 1950년대 소련의 탐과 사하로프가 고안한 도넛 모양의 토카막이 세계 표준이 됐습니다. 영국의 유럽 공동 장치 JET는 1997년 당시 세계 최대 핵융합 출력을 냈습니다. 같은 해 교토 의정서가 채택됐습니다.

• Joint European Torus ↗
• Tokamak ↗

땅을 수평으로 뚫고 고압의 물로 암석을 깨는 수압 파쇄 기술이 발전하면서 셰일층의 석유와 가스가 쏟아져 나왔습니다. 미국은 2018년 세계 최대 산유국이 됐고, 값싼 천연가스가 석탄 발전을 대체하면서 미국의 탄소 배출이 오히려 줄기도 했습니다.

• Shale gas ↗

대지진과 쓰나미로 전력이 끊기면서 원자로 3기의 노심이 녹았습니다. 독일은 탈원전을 결정해 2023년 마지막 원전을 닫았습니다. 사고와 함께 비용과 공기 지연이 원자력의 발목을 잡아, 많은 서방 국가에서 수십 년 동안 신규 원전 건설이 거의 멈췄습니다.

• Fukushima nuclear accident ↗

거의 모든 나라가 지구 온도 상승을 산업화 이전 대비 2도 아래, 가능하면 1.5도로 억제하기로 합의했습니다.

• Paris Agreement ↗

재생 에너지가 빠르게 늘었지만 세계 1차 에너지 공급에서 화석연료 비중은 여전히 약 80% 수준입니다. 에너지 역사학자 스밀은 인류의 에너지 역사가 전환이 아니라 추가의 역사였다고 지적합니다. 석탄이 나무를, 석유가 석탄을 완전히 대체한 것이 아니라 위에 쌓였을 뿐이고, 새 에너지원이 지배적이 되는 데는 매번 수십 년이 걸렸습니다.

• Energy transition ↗

생산량이 두 배가 될 때마다 가격이 일정 비율로 떨어지는 학습 곡선을 따라, 태양광 모듈 가격은 1970년대 대비 99% 넘게 떨어졌고 국제에너지기구는 많은 지역에서 태양광이 역사상 가장 싼 전기라고 평가했습니다. 공장에서 똑같은 제품을 대량으로 찍어내면 싸진다는 이 교훈이 바로 SMR이 노리는 지점입니다. 같은 해 러시아의 바지선 수상 원전 아카데믹 로모노소프가 상업 운전을 시작했습니다.

• Swanson's law ↗

중국의 고온가스로 HTR-PM이 전력망에 연결되고 2023년 상업 운전을 시작했습니다. 물 대신 헬륨 가스로 식히는 4세대 방식으로, 아카데믹 로모노소프와 함께 운전 중인 몇 안 되는 소형 원자로입니다. 많은 SMR은 1950년대 잠수함 때문에 접어 뒀던 소듐, 녹은 소금, 헬륨 냉각 같은 다른 길을 다시 시도합니다.

• HTR-PM ↗
• Small modular reactor ↗

러시아의 우크라이나 침공 이후 유럽이 러시아 천연가스에 의존하던 구조가 무너지며 에너지 가격이 폭등했습니다. 1970년대 오일 쇼크와 같은 교훈입니다. 12월에는 미국 국립점화시설(NIF)이 레이저로 투입한 에너지보다 많은 핵융합 에너지를 처음 만들어 냈습니다. 다만 레이저를 만드는 데 든 전기 전체에 비하면 아직 훨씬 적습니다.

• 2022–2023 Russia–European Union gas dispute ↗
• National Ignition Facility ↗

서방 SMR의 첫 주자였던 뉴스케일의 대표 프로젝트가 치솟는 비용으로 무산됐습니다. 같은 해 완공된 미국 보글 원전 3·4호기는 예정보다 7년 늦어지고 비용이 두 배 넘게 들었습니다. 독일은 마지막 원전을 닫았고, 영국 JET는 운영을 마치기 직전 핵융합 에너지 생산 세계 기록을 세웠습니다.

• NuScale Power ↗
• Vogtle Electric Generating Plant ↗

거대한 AI 데이터센터가 막대한 전기를 24시간 쓰기 시작하면서, 마이크로소프트는 멈춰 있던 스리마일섬 원자로를 재가동하는 전력 계약을 맺었고 구글과 아마존도 차세대 원자로 기업과 계약했습니다. 50년 전 사고로 원자력 몰락의 상징이 된 바로 그 장소입니다. 같은 해 국제 핵융합 실험로 ITER는 본격 운전 일정을 2030년대 중반으로 미뤘습니다.

• Three Mile Island Nuclear Generating Station ↗
• ITER ↗

중국의 EAST와 프랑스의 WEST가 고온 플라스마를 수십 분간 유지하는 기록을 잇따라 세웠습니다. 고온 초전도 자석으로 소형 토카막을 짓는 커먼웰스 퓨전 시스템스, 마이크로소프트에 전기를 팔기로 하고 발전소를 착공한 헬리온 등 민간 기업이 핵융합의 주역으로 떠올랐습니다. 미국 정부는 행정명령으로 2026년 7월 4일까지 시험용 원자로 3기를 임계에 도달시킨다는 목표를 세웠고, 캐나다 달링턴의 BWRX-300은 건설 허가를 받고 착공했습니다(첫 호기 가동 목표는 2030년).

• Commonwealth Fusion Systems ↗
• Helion Energy ↗

3월 빌 게이츠가 세운 테라파워의 소듐냉각로 나트륨이 미국 원자력규제위원회로부터 경수로가 아닌 원자로로는 처음으로 건설 허가를 받았고, 4월 원자로 건설에 들어갔습니다. 6~7월에는 안타레스, 발라 아토믹스, 디플로이어블 에너지의 시험용 원자로가 차례로 임계에 도달해 ‘7월 4일까지 3기’라는 목표를 달성했고, 8월에는 오클로의 시험로도 뒤를 이었습니다. 다만 모두 출력이 거의 없는 무출력 임계로, 상업 발전과는 거리가 있습니다. 육상 최초의 상업용 SMR을 노리는 중국의 링룽 1호는 2026년 말 가동을 목표로 하고 있고, 핵융합 기업 제너럴 퓨전은 나스닥에 상장했습니다. 공장 대량 생산이 실제로 값을 낮추는지, 특수 연료(HALEU)를 어떻게 확보할지는 아직 서방 어디에서도 증명되지 않았습니다. 핵융합에는 늘 30년 뒤에 실용화된다는 오래된 농담이 따라다닙니다.

• TerraPower ↗