일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.2.28

핵융합 발전의 주역은 스타트업
일본은 레이저와 ‘자이로트론’에 강점

핵융합 발전을 실현하는 데 있어 스타트업의 역할이 커지고 있다. 대학이나 연구기관이 쌓아온 최신 기술을 스타트업이 사업화함으로써 핵융합이 조기에 실현될 수 있을 것이라는 기대감이 높아지고 있다. 스타트업 창업이 세계적으로 증가하고 있는 가운데, 일본에서도 첨단 기술개발 등에서 활약하는 사례들이 나오기 시작했다.

헬리컬퓨전(Helical Fusion, 도쿄)은 자기장 감금 핵융합인 헬리컬형이라고 불리는 핵융합로를 개발하고 있다. 핵융합로에 필요한 부자재와 요소기술 실증을 진행해 2034년, 세계 최초로 핵융합 발전을 시작할 계획이다.

헬리컬퓨전은 핵융합과학연구소(기후 현) 등에서 오랜 기간 연구해온 연구자들이 2021년에 창업. 지금까지 핵융합과학연구소가 실증해온 플라즈마 기술 등을 응용해 핵융합로를 구성하는 기기를 개발하고 있다. 구체적으로는, 플라즈마 중의 불순물을 배기하는 다이버터와 플라즈마 감금을 위한 초전도 마그넷, 중성자를 흡수해 열을 회수하는 블랭킷 등이다.

헬리컬퓨전은 다이버터와 블랭킷에 액체금속을 사용하는 독자적인 방법을 채택하고 있다. 액체금속을 순환시킴으로써 효율적으로 열을 회수할 수 있어 유지보수 빈도를 낮출 수 있다고 한다. 핵융합로에서는 열화(劣化)로 인해 2년에 한 번 정도 부자재를 교환할 필요가 있어 현재와 같이 고체를 사용하는 방법으로는 부자재 교환에 인력 및 비용이 드는 과제가 있다.

헬리컬퓨전의 다구치(田口) 공동창업자 대표는 “파트너 기업과의 연대와 자금 조달이 가장 큰 과제지만 기술적 개발은 현재 진행되고 있으며, 2027년에 실험로를 건설할 계획이다”라고 말한다. 이러한 도전적 목표 뒤에는 핵융합과학연구소가 쌓아온 실적이 있다.

핵융합과학연구소는 거대한 나선형 구조를 가진 대형 헬리컬장치(LHD)를 운용하고 있으며, 섭씨 1억 도의 플라즈마 온도와 1시간 가까이의 플라즈마 보존 시간을 세계 최초로 달성했다. 이러한 노하우를 활용한다면 다른 방식의 핵융합과 비교해 조기의 상용화가 가능할 것이라고 한다.

-- 일본, 레이저 핵융합에서 앞서--
2021년에 창업한 오사카대학 발 핵융합 스타트업 엑스퓨전(EX-Fusion, 오사카)은 레이저 핵융합의 상용로 개발을 위한 연구개발을 추진하고 있다. 요소 기술을 가진 민간 기업 등과 함께 레이저 장치와 주변 부자재 기술을 개발하고 있다.

엑스퓨전의 공동창립자 겸 최고경영자(CEO)인 마쓰오(松尾) 씨는 오사카대학 재학 시절부터 오사카대학 레이저과학연구소에서 고속 점화 방식의 핵융합을 연구해왔다. 현재는 오사카대학 및 관련 기업들과의 공동 연구를 통해 최적의 레이저 장치와 제어 기기, 보다 효율적인 연료 기술을 개발하고 있다. 2029년에 상용로 기술에 대한 실증을 완료하고 2035년, 파일럿 플랜트를 건설할 계획이다.

마쓰오 CEO는 “일본에는 레이저의 중요 기술이 갖추어져 있어, 시장을 선도할 수 있는 기회가 있다”라고 말한다. 레이저는 증폭기와 다이오드, 결정 등의 요소 기술을 조합해 만들어야 한다. 이러한 요소 기술에서 일본은 “세계 탑 레벨의 기술력을 가지고 있다”(마츠오 CEO)라고 한다.

엑스퓨전은 레이저 제어 기술을 패키지화해 IP(지적재산)를 취득하는 것을 상정하고 있다. 경쟁기업이 개별 기술을 일본의 민간기업으로부터 조달해도 그 열쇠가 되는 레이저 가공 기술을 알지 못하면 기술이 유출될 우려가 적기 때문이다.

전세계 공급업체들로부터 부품을 조달하고, 자사는 제품 조립에 특화한다는 의미로, 마쓰오 CEO는 엑스퓨전의 전략을 ‘세계적인 반도체 노광 장치 기업인 네덜란드의 ASML과 같은 비즈니스 모델’이라고 표현한다.

하지만 해결해야 할 기술적 과제는 많다. 예를 들어, 레이저 핵융합에서는 고출력 레이저를 단시간에 반복 조사해 간헐적으로 핵융합 반응을 일으킬 필요가 있다. 현재의 고출력 레이저는 몇 시간에 한 번 베이스로 밖에는 조사할 수 없지만, 상용로에서는 레이저를 초당 10회 정도 조사할 필요가 있어 더욱 향상된 레이저 기능 개선이 요구된다.

레이저 기술은 핵융합 이외에도 다양한 응용 사례가 있다. 예를 들어, 반도체 노광 장치와 가공 기기, 피뢰침, 로켓엔진 등이다. 엑스퓨전은 “레이저 핵융합 연구를 통해 다양한 산업에 레이저 기술을 응용할 수 있을 것이다”(마쓰오 CEO)라고 기대감을 나타낸다.

핵융합은 10년, 또는 20년 앞을 내다본 연구개발이 필요하기 때문에 지속적인 수익이 요구되는 민간기업의 입장에서 장기적 연구개발 투자는 부담이 된다. 응용 사례가 풍부한 레이저 기술을 사용하는 레이저 핵융합은 협력하는 기업에게도 이점이 많을 것으로 보인다.

-- 컨설팅까지 담당 --
핵융합로 구축 외에도 스타트업이 기여할 수 있는 분야는 많다. 교토대학 발 스타트업 교토퓨저니어링(KYOTOFUSIONEERING, 본사는 도쿄)은 핵융합에 필요한 중요 부자재 개발과 컨설팅 업무를 추진하고 있다. 자체 개발한 실증 설비 등을 통해서도 핵융합 발전 유저 기업을 지원하는 체제를 정비하고 있다.

교토퓨저니어링은 마이크로파로 플라즈마를 가열해 핵융합 반응을 촉진하는 기기 '자이로트론(Gyrotron)'이나 중성자로부터 열을 회수하는 블랭킷 등을 개발하고 있다. 핵융합 발전을 운영하는 유저 기업에게 교환 부자재의 판매와 기술 라이센스 제공, 핵융합로 및 그 주변 기기의 설계 등에 대한 컨설팅까지 상정하고 있다.

교토퓨저니어링의 나카하라(中原) 경영기획부장은 “자이로트론 등 핵심 부자재를 개발해 고객 맞춤형 튜닝을 할 수 있는 기업은 세계적으로도 한정적이다”라고 말한다. 자기장 감금 핵융합에 필요한 기술이기 때문에 향후 자이로트론의 수요가 늘어날 것으로 전망된다.

교토퓨저니어링의 사카모토(坂本) 집행임원은 양자과학기술연구개발기구(QST)에서 오랜 기간 자이로트론 개발에 관여해온 실적이 있으며, 현재 교토퓨저니어링의 경쟁력으로 이어지고 있다고 한다.

교토퓨저니어링은 해외 사업 전개를 위한 발판으로 미국에 현지법인을 설립해 2023년 2월, 본격적인 가동을 개시했다. 핵융합의 산업화가 활발해지고 있는 미국에서 스타트업 및 관련 사업자와의 접점을 갖기 쉽도록 하기 위해서이다.

유저 기업과 핵융합 설비 검토가 가능하도록 교토퓨저니어링은 2024년에 시험 플랜트 ‘UNITY(유니티)’를 구축할 예정이다. 간이 설비로 핵융합 반응은 일으킬 수 없지만 고객사와의 검토 등에 활용할 계획이다.

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