일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.3.1

핵융합발전, 미래의 주력사업이 된다
대기업들도 기술 개발 가속화

핵융합발전의 상용화를 위한 연구개발 및 투자가 활발해지면서 관련 기술을 가진 대기업들도 사업 확장에 나서고 있다. 스타트업의 실험로 건설을 위해 일부 업체들은 관련 제품 공급을 시작했다.

후루카와전기공업(古河電氣工業)은 초전도 와이어에서 높은 경쟁력을 가지고 있으며, 많은 핵융합 실험 설비업체들에 납품하고 있다. 올 1월에는 핵융합 스타트업인 영국의 Tokamak Energy와 고온 초전도 와이어 공급 계약을 맺는 등, 거래가 증가하고 있다. 핵융합이 실현되면 초전도 와이어의 대규모 수요를 기대할 수 있어, 세계 유수의 양산 체제를 가진 후루카와전기공업의 존재감도 높아질 것으로 전망된다.

후루카와전기공업은 Tokamak Energy가 건설을 추진하고 있는 핵융합 파일럿 플랜트용으로 수 년에 걸쳐 수 백 킬로미터에 이르는 고온 초전도 와이어를 공급할 예정이다. Tokamak Energy는 2030년대 전반에 핵융합 시험 발전을 실현할 계획으로, 핵융합에 필요한 플라즈마를 자기장으로 가두는 용도로 고온 초전도 와이어가 사용된다고 한다.

초전도 와이어는 극저온 하에서 전기저항이 제로가 되는 도선 재료로, 강력한 자기장을 발생시키는 용도 등에 사용된다. 비교적 높은 온도에서 사용이 가능한 고온 초전도 와이어는 고자기장 자석에 사용, 저온 초전도 와이어는 안정된 성능이 요구되는 장면에 사용된다. 고온 및 저온 초전도 와이어를 제조할 수 있는 업체는 후루카와전기공업뿐으로, 핵융합용으로 고객의 요구에 맞춰 제안할 수 있다는 강점이 있다.

후루카와전기공업은 지금까지 대형 국제 프로젝트인 핵융합 실험로 'ITER'와 국내 프로젝트인 핵융합 실험로 'JT-60SA'에 초전도 와이어를 납품하는 등, 기술과 노하우를 축적해왔다. 최근 에너지 가격 상승과 탄소중립의 수요 증가로, 각국에서 핵융합 프로젝트들이 앞당겨 추진되고 있다.

후루카와전기공업은 “와이어뿐만 아니라, 관련 부품이나 기기의 수요도 함께 높아짐에 따라 핵융합 발전 관련이 주력 사업이 될 가능성은 충분히 있다”라며 기대감을 나타낸다.

복수의 핵융합 스타트업들이 2030년대에 상용로 건설을 계획하고 있어 시장 투자도 활발해지고 있다. 계획이 순조롭게 진행된다면 20년 후에는 방대한 제품 수요가 예상된다.

소형 핵융합로 1기에는 수 십억 엔 규모의 와이어가 필요해 상용화가 시작되면 그 수요는 100배 이상 늘어날 것이라는 예측도 나오고 있다. 후루카와전기공업은 상세한 전망을 밝히지 않았지만, “미래의 수요를 충족시키기 위해 공급 능력과 생산성을 한층 더 높일 필요가 있을 것이다”(후루카와전기공업)라고 한다.

-- 일본 기업, 핵심 부품에서 활약 --
ITER 등 자기장 감금 핵융합로에서 핵융합 반응을 촉진하는 핵심 부품은 자이로트론(Gyrotron)이다. 자이로트론 개발에서는 일본이 세계를 선도하고 있으며 여기에는 민간 기업의 기여가 크다. 캐논전자관디바이스(CANON ELECTRON TUBE & DEVICE, 도치기 현)와 양자과학기술연구개발기구(QST)는 2021년, ITER 전용의 자이로트론을 세계에서 처음으로 제조한 실적이 있다.

캐논전자관디바이스와 QST는 2022년 12월, 1메가와트(MW)의 고출력 마이크로파를 3개의 주파수로 발생시켜 연속 동작할 수 있는 자이로트론을 세계 최초로 개발했다. 대응하는 주파수를 늘림으로써 보다 효율적으로 플라즈마를 가열할 수 있게 되었다고 한다. 기존의 자이로트론은 단일 주파수에만 대응해 플라즈마를 가열하는 조건이 한정되어 있었다고 한다.

자이로트론 개발에는 높은 기술력이 필요하며, 과거의 실험로 납품 실적은 일본과 러시아가 대부분이었다. 자이로트론을 발명한 러시아와 그 뒤를 이은 일본이 시장의 대부분을 차지하고 있다. ITER에는 일본과 러시아뿐만 아니라 유럽도 납품할 계획이지만, ITER 운전 개시 때에는 일본과 러시아의 자이로트론이 사용될 예정이다. 실적과 노하우를 선행적으로 축적하면 일본이 경쟁력을 유지할 수 있을 것으로 보인다.

자이로트론 이외에도 핵융합 분야에서 일본 기업들의 활약이 눈에 띈다. 미쓰비시중공업(三菱重工業)과 미쓰비시전기(三菱電機), 도시바(東芝)에너지시스템즈(가와사키 시) 등이 ITER의 자기장 코일을 분담해 제조. 그 설치가 추진되고 있다. 많은 일본 기업들이 ITER에 기술 협력을 하고 있으며, 2025년 운전 개시를 목표로 하고 있다.

-- 레이저에서도 높은 경쟁력 --
레이저 핵융합 연구개발에서도 고성능 레이저 장치나 광학 부품을 개발하는 대기업들의 사업 기회가 늘어나고 있다. 하마마쓰(浜松)포토닉스는 고출력 및 고반복이란 특성을 가진 펄스 레이저 장치 개발을 추진하고 있으며, 올 1월에는 출력 에너지가 100줄(J)인 펄스 레이저로 10Hz(헤르츠)의 반복 주파수를 달성했다. 향후에도 성능을 높여 나감으로써 핵융합에 응용할 수 있는 장치 개발을 목표로 하고 있다.

통상적으로 고출력 레이저의 주파수를 높이면 증폭에 사용되는 레이저 매질(Laser medium)의 온도가 올라가 특성이 저하되는 문제가 있다. 이것을 해결하기 위해 하마마쓰포토닉스는 헬륨가스를 이용, 냉각 능력을 높여 레이저 매질의 온도가 올라가지 않도록 함으로써 성능을 높였다. 같은 수준의 펄스 레이저를 개발할 수 있는 곳은 하마마쓰포토닉스를 포함해 세계에서 3곳밖에 없다고 한다.

하마마쓰포토닉스는 올해 안에 250J, 10Hz의 펄스 레이저 기술을 실증해 세계 최고의 성능을 실현할 계획이다. 하마마쓰포토닉스가 중기(中期) 목표로 내세우고 있는 1kJ, 10Hz의 펄스 레이저 확립도 시야에 들어오고 있다고 한다.

한편, 핵융합 반응을 일으키려면 1MJ와 고에너지의 펄스 레이저를 10Hz로 조사(照射)할 필요가 있다고 한다. 하마마쓰포토닉스는 이를 실현하기 위해 펄스 레이저의 출력 및 수를 얼마나 늘릴 것인지, 코스트와 크기 등도 포함해 최적해를 알아낼 방침이다.

현재 많은 레이저 핵융합 연구기관에서 사용되고 있는 고출력 펄스 레이저는 반복 조사가 불가능하다. 그 최대 요인은 냉각에 긴 시간이 필요하다는 점으로, 반복 주파수를 높이기 위해서는 열전도율이 높은 재료를 개발하는 등 한층 더 개선이 필요하다.

하마마츠포토닉스 중앙연구소의 가와시마(川嶋) 산업개발연구센터장은 “열전도율이 높은 레이저용 세라믹 재료 분야에서는 국내 기업들이 가장 뛰어나다. 레이저의 중요 기술이 국내에 집약되어 있는 것은 (경쟁력 유지를 위해서도) 중요하다”라고 말하며, 연구기관 등에서 고출력 레이저의 거래가 증가하길 기대하고 있다고 한다.

레이저 핵융합 실현에는 레이저 이외에도 폭넓은 광학기기의 기술력이 요구된다. X선 미러 등을 개발하는 제이테크코퍼레이션은 레이저 핵융합 상용로 실현을 위해 자사의 정밀기술과 광 제어 기술을 응용할 계획이다. 제이테크코퍼레이션은 2022년 1월, 오사카대학 발 스타트업 EX-Fusion(오사카)과 기술 제휴를 맺었다.

제이테크코퍼레이션은 2030년을 상정한 장기 계획으로서 레이저 핵융합시설용으로 타겟 홀더와 머니퓰레이터 등의 판매를 통해 5억엔의 매출액을 목표로 내걸고 있다. 상업용 이용이 시작되면 더 많은 사업 기회가 생길 것으로 보인다.

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