일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.7.11

핵융합 발전의 조기 실용화 추진
국내 신흥기업 3사, 개발 가속화

핵융합발전의 조기 실현을 향한 움직임이 활발해지고 있다. 요소기술 개발이 추진되면서 구미의 스타트업 기업들과 정부기관들이 핵융합발전 계획을 잇달아 앞당기고 있기 때문이다. 일본의 핵융합발전 관련 스타트업 기업들도 대규모 자금 조달을 실시하는 등, 사업 확대와 개발 가속화에 주력하고 있다. 국내 스타트업 3사의 기술 전략과 향후 경영 방침을 정리했다.

핵융합발전 스타트업인 교토퓨저니어링(본사 기능은 도쿄)은 5월, 미츠비시상사(三菱商事)와 정부계 펀드 등 17개 사로부터 105억 엔을 조달했다. 핵융합로 건설에 필요한 복수의 중요 부재를 생산하고 있는 교토푸저니어링은 조달한 자금으로 연구개발과 인재 확보를 가속화할 방침이다. 올해 안에 엔지니어 등 100명을 채용, 3년 후까지 직원을 현재의 약 3배로 늘린다는 계획을 가지고 있다.

교토퓨저니어링은 플라즈마를 가열해 핵융합 반응을 촉진하는 기기 ‘자이로트론’과 중성자로부터 열을 회수하는 블랭킷 등 핵융합 핵심기술을 복수 개발하고 있다. 해외에서 사업자들이 추진하는 프로젝트가 증가함에 따라, “인재를 늘려도 부족할 정도로 거래가 많이 들어오고 있다”라고 교토퓨저니어링의 나가오(長尾) 사장은 말한다.

현재 교토퓨저니어링이 주력하고 있는 것은 제조 노하우를 활용한 경쟁력 강화이다. 구체적으로는, 약 30개 핵심 기술에 대해 기술성숙도 레벨(TRL)의 개념을 적용해 개발 진척 및 능력 지수를 정량적으로 평가해 원활한 사업화로 연결해나가는 것이다. “QCD(품질 코스트 납기) 등 일본 모노즈쿠리(제조)의 강점을 살려 경쟁력을 높여 나가고 싶다”(나가오 사장).

-- 핵융합에도 AI활용 --
핵융합 개발에도 AI(인공지능) 진화의 흐름이 밀려오고 있다. 나가오 사장은 “핵융합로의 설계에는 복잡한 시뮬레이션 기술이 요구되며, AI를 활용해 수 만 가지의 시뮬레이션을 반복함으로써 설계를 최적화할 수 있다”라고 말한다. 스타트업 기업을 중심으로 이미 AI 활용이 진행되고 있어, 핵융합발전 계획을 앞당길 수 있는 중요한 기반 기술로 자리잡을 것으로 보인다.

핵융합발전에는 고도의 기술이 요구됨에 따라, 지금까지 실용화는 2050년대경이 될 것으로 전망되어 왔다. 그러나 AI와 신소재 개발로 구미의 스타트업들은 2030년대 전반에 실현할 수 있다고 주장하고 있다. 예를 들면, 미국의 헬리온에너지(Helion Energy)는 상업용 핵융합로를 2028년에도 가동할 계획으로, 마이크로소프트와 전력 공급을 위한 계약을 체결했다.

-- 시뮬레이션의 정밀도 향상 --
오사카대학 발 스타트업 엑스퓨전(EX-Fusion, 오사카)은 레이저 핵융합의 상용로 개발을 위한 연구개발을 추진하고 있다. 엑스퓨전은 2029년까지 상용로 기술 실증을 완료하고, 2035년에 파일럿 플랜트 건설과 레이저 핵융합을 통한 발전 실증을 계획하고 있다. 레이저 핵융합 연구는 오사카대학 등 국내 연구기관들이 50년 이상 추진해오고 있어 세계적으로 높은 경쟁력을 가지고 있다.

엑스퓨전의 공동창업자 겸 최고경영자(CEO)인 마쓰오(松尾) 씨는 “미국에서 2022년에 실시된 연소실험의 성공 등으로 인해 세계적으로 레이저 핵융합 개발이 빨라지고 있다. 시뮬레이션 기술의 정밀도가 높아지면서 사회 구현을 상정한 논의도 시작되고 있다”라고 말한다.

헬리컬퓨전(Helical Fusion, 도쿄)은 자기장 감금 핵융합 가운데 ‘헬리컬형’으로 불리는 핵융합기술을 개발하고 있다. 이 회사는 올 4월에 약 8억 엔의 자금 조달을 실시했으며, 연구개발과 사업 제휴를 가속화하고 있다. 헬리컬퓨전의 다구치(田口) 공동창업자 대표는 “1년 전과 비교해 핵융합에 대한 투자자들의 관심이 높아지고 있다”라고 말한다.

헬리컬퓨전은 고온 초전도 선재(線材)를 활용한 초전도 자석과 액체 금속을 활용한 블랭킷 개발에 강점을 가지고 있다. 이러한 컴포넌트를 화로 설계 및 기술적 노하우와 함께 사업자에게 제공함으로써 다른 사업자와의 차별화를 도모한다는 전략을 가지고 있다. 다구치 대표는 “핵융합로를 어떻게 만들면 좋을지, 아직은 아무도 모르는 상황이다. 코어 기술과 함께 스타트업 기업을 지원해나가고 싶다”라고 말한다.

헬리컬퓨전은 2027년에 실험로를 건설할 계획이며, 2025년경까지 자금 조달 계획을 수립하기 위해 움직이고 있다. 실험로 건설에는 500억엔 이상의 자금이 필요할 전망이다. 순조롭게 진행된다면 2034년, 정상적으로 가동될 수 있는 ‘세계 최초’의 핵융합 발전을 목표로 하고 있다.

-- 다른 분야에 기술 응용 --
핵융합발전 실현에는 장기적인 연구개발이 필요하며, 사업을 지속하기 위해서는 안정적인 수입원이 중요해진다. 핵융합 스타트업들은 독자적인 기술력을 활용한 사업 전개를 추진하고 있다.

엑스퓨전은 핵융합을 일으키기 위한 고도의 레이저 제어 기술이 다른 분야에도 응용될 수 있다고 보고 있다. 예를 들어, 산업 용도로는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등을 깨끗하게 절단할 수 있는 고출력 레이저 가공 기술을 개발해 올 6월, 특허(특허 제7290239호)를 받았다. 레이저의 조사(照射) 방법을 연구해 절단 부분 주위의 그을림이나 미세 폐기물 배출을 줄여 가공 정밀도를 높일 수 있었다.

레이저에 의한 절단은 레이저를 직선상으로 조사(照射)하여 열부하를 가하는 방식이 일반적이다. 이 경우, 열의 쏠림으로 인해 주위의 재료가 타버려 단면이 깨끗하지 않는 경우가 많았다. 엑스퓨전은 레이저의 조사 지점을 회전시키거나 조사 시간을 조정하는 등 가공 프로세스를 고안해냄으로써 열이 잘 분산될 수 있도록 했다.

가공이 어려운 재료라도 기존 방법에 비해 약 3배의 속도로 가공할 수 있으며, 가공 시 폐기물도 잘 배출되지 않는다. 기존 레이저 가공기기의 소프트웨어를 업데이트하는 것만으로 구현할 수 있어 자산을 활용할 수 있다는 이점도 있다. 항공기나 자동차용 재료 가공에서의 채택을 목표로 하고 있다.

이 밖에도 미세한 타깃에 정확히 레이저를 조사하는 기술을 첨단 반도체 제조에 필수인 극자외선(EUV) 노광장치에도 응용할 수 있을 것으로 전망된다. EUV는 주석의 액적(液滴)에 레이저를 조사함으로써 생성할 수 있다. 이 액적을 작게 하면 미세 폐기물 배출을 억제할 수 있어 유지보수 빈도를 줄일 수 있다.

작은 타깃에 레이저를 쏘는 것은 높은 제어 기술이 요구되기 때문에 자사의 강점을 활용할 수 있을 것으로 엑스퓨전은 전망하고 있다. 마쓰오 대표는 “차세대 EUV 노광장치에 레이저 기술을 제공하고 싶다”라고 말한다.

-- 컨설팅에 비즈니스 찬스 --
교토퓨저니어링은 핵융합로 건설을 목표로 하는 기업에 개념 설계를 지원하는 컨설팅을 하고 있다. 핵융합로 건설에는 개념 설계부터 상세 설계, 개발 및 제조, 조립, 실증, 안전·품질관리 등 다양한 프로세스가 필요하다. 특히 초기의 개념 설계가 중요하지만, 현재 핵융합에 정통한 기업은 한정되어 있다.

지금까지 핵융합 컨설팅은 주로 원자력 관련 사업자가 추진하는 경우가 많았지만, 나가오 대표는 “핵융합 연구에 오랜 세월 종사한 엔지니어와 전문가를 많이 보유하고 있는 당사가 향후 한층 더 강점을 발휘할 수 있게 될 것이다”라고 말한다.

교토퓨저니어링은 블랭킷 등의 열을 추출하는 중요 부재를 개발하고 있어 화로의 설계 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 보고, 미래에는 플랜트 엔지니어로서의 지위를 구축해나가고 싶다고 한다.

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