산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2025.11 (p.17-19)

핵융합용 초전도 케이블 검증 막바지
Helical Fusion, 고자기장 환경에서 실험

핵융합 스타트업인 Helical Fusion(도쿄)이 고온 초전도체(HTS) 기술 검증에서 최종 단계에 들어갔다.

2025년 7월에는 HTS 케이블을 나선형으로 감아 상하 2층으로 적층한 ‘더블 팬케이크 코일’을 준비해, 액체질소(N₂)로 -196℃(77K)까지 냉각한 뒤 초전도에 도달하는 것을 확인했다. 같은 해 9월부터 8~13T의 고자기장 환경에 20~25kA의 대전류에서, 나선형으로 감은 HTS 케이블이 문제없이 초전도가 되는지 검증을 시작했다.

이번 검증은 HTS 케이블이 저융점 합금으로 고정된 상태에서 실시한다. 고자기장과 대전류로 인해 코일은 강한 전자기력을 받는다. 그 때문에 고정된 금속 내부에서 움직여 마찰이 발생하면, 내부 선재가 손상돼 초전도 상태를 유지하지 못할 가능성도 있다.

Helical Fusion 사업개발부문의 구보(久保) COO(최고집행책임자)는 “케이블 기술 검증으로서는 마지막 단계다. 확인이 되면 최종 실험 장치 조립으로 넘어갈 수 있어 매우 중요한 마일스톤이다”라고 설명한다. Helical Fusion은 24년 2월에 핵융합과학연구소(기후현)에서 직선 형태로 배치한 HTS 케이블의 초전도에 성공했지만, 이 검증에서 케이블이 휘어진 부분은 한 곳뿐이었다. 최종적으로 나선형으로 조립하기 위해서는 ‘휘어진 상태’에서도 초전도를 유지할 수 있는지에 대한 조사는 필수다.

-- 고자기장 환경을 실험 장치로 실현 --
그래서 케이블을 외경 60cm, 내경 30cm 정도의 나선형 모양으로 구부렸다. 25년 9월의 실험에서는 이 나선형 HTS 케이블을 상하 2층으로 적층하고, 전기적으로 하나의 케이블처럼 전기가 흐르도록 접속한다. 이 '더블 팬케이크 코일' 상태에서 케이블을 3차원적으로 배치해, 고자기장에서도 문제없이 초전도를 유지할 수 있는지를 검증한다.

다만 이 HTS 케이블에 강한 전류를 흘려 고자기장을 발생시키려면, 훨씬 많은 케이블을 묶어야 한다. 현재의 더블 팬케이크 코일만으로는 전혀 부족하다. Helical Fusion이 상정하는 핵융합로에서는 HTS 케이블에 100kA급 전류를 흘린 상태에서, 중심 자기장 8T, 최대 자기장 20T 정도의 고자기장 발생을 목표로 하고 있다. 실제 환경을 가정해 문제가 없는지 확인하기 위해서는 다른 외부 장치를 이용해 HTS 케이블에 높은 자기장을 적용할 필요가 있다.

이 고자기장을 실현하는 데 핵융합과학연구소가 보유한 실험 장치인 ‘대구경 고자기장 도체 시험 장치’를 이용한다. 이 장치는 상정한 핵융합로와 동등한 고자기장 환경을 구현할 수 있어, 조립 이전부터 기술적인 검증이 가능하다. 우선은 전류 20kA에 자기장 8T부터 검증을 시작하고, 상태를 보면서 전류나 자기장을 서서히 높여 문제가 발생하지 않는지 조사한다.

-- 초전도 임계온도가 저하 --
HTS 케이블에서는 희토류 바륨 구리 산화물인 REBCO(Rare Earth Barium Copper Oxide)를 선재에 사용하고 있어, 일반적인 환경이라면 77K에서 초전도 상태에 도달한다. 만약 선재가 납(Pb)이라면 초전도 임계온도가 더 낮기 때문에 액체헬륨(He) 등으로 4K(-269℃)의 극저온 상태로 만들어야 한다. 이와 비교하면 REBCO의 77K가 비교적 고온이라는 것을 알 수 있다.

하지만 강력한 자기장 발생을 전제로 한 환경에서는 사정이 다르다. Helical Fusion의 다구치(田口) CEO는 “높은 자기장 환경에서는 초전도가 되는 임계온도가 떨어진다. 만일 한계에 가까운 온도에서 시험을 진행하다 초전도를 유지하지 못하면, 코일이 한순간에 파손될 위험도 있다. 말 그대로 온도와의 싸움이다”라고 말한다. 때문에 9월의 더블 팬케이크 코일 검증에서는 HTS 케이블 내 파이프에 냉각용 He가스를 흘려 20K(-253℃)까지 온도를 낮춘 상태에서 검증한다.

-- 마찰 온도 상승으로 간접적 ‘소손’ 우려도 --
특히 큰 우려는, 강력한 자기장과 전류에서 발생하는 전자기력으로 인해 HTS 케이블이 움직인다는 것이다. 강력한 전자력으로 인해 움직이지 않도록 합금으로 빈틈없이 고정해야 한다. 다만 일반적인 합금은 녹여서 굳히는 과정에서 가열에 의해 HTS 케이블이 손상될 수 있다. 그래서 이번 검증에서는 인듐(In), 비스무트(Bi), 주석(Sn) 등으로 구성된 저융점 합금을 채택했다.

이 저융점 합금은 60℃ 온수에서도 녹을 정도로 융점이 낮다. HTS 케이블을 열 손상 없이 고정할 수 있는 한편, 영하까지 온도가 계속 내려가면 수축해 버리는 특성이 있다. HTS 케이블을 고정해야 할 합금이 수축해서 틈이 생기면, 내부의 틈과 전자기력에 의해 HTS 케이블이 진동하면서 파손 요인이 될 수 있다.

Helical Fusion의 미야자와(宮澤) CTO(최고기술책임자)는 “케이블이 움직이면 마찰열이 발생해 온도가 상승한다. 한 번 초전도 상태에서 상전도 상태로 돌아가면, 원래도 높은 전류가 흐르기 때문에 줄(Joule) 발열도 그에 따라 높아져 ‘눌어붙는’ 상황이 된다”라고 설명한다. 따라서 HTS 케이블뿐 아니라, 이를 어떻게 고정하느냐 역시 중요한 검증 항목으로 꼽힌다.

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Nikkei Monozukuri_2025.11 목차

도전자
과제 설정부터 해결까지가 연구개발
사카모토 고이치(고베제강소 이사집행임원 전사기술개발총괄)

뉴스의 심층
・오사카가스, e-메탄 상용화 위한 신규 거점 -- 인접 시험 설비로 비용 절감에 주력

・핵융합용 초전도 케이블 검증 막바지 -- Helical Fusion, 고자기장 시험으로

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