산업기술/제조/경영

닛케이 모노즈쿠리_9월호 (P22~25)

EX-Fusion, 핵융합로용 레이저 제어 모듈 공개
정밀도 99%, 오차범위 0.2mm로 조사(照射)

최근 핵융합로 실현을 위한 기반기술 구축이 추진되고 있다. 오사카대학 발(發) 스타트업 EX-Fusion(오사카부)은 6월 30일, 중소기업기반정비기구(中小企業基盤整備機構)가 운영하는 하마마쓰(浜松)이노베이션큐브(하마마쓰시) 내부에 마련된 개발 거점에서 레이저를 목표에 조사하는 제어 모듈을 공개했다.

EX-Fusion이 공개한 것은 레이저 핵융합로로의 도입을 내다본 기술로, 실제 발전 시에는 핵융합로 내부에 사출된 혼합연료에 2 종류의 레이저를 조사해 핵융합 반응을 일으키는 것이다. EX-Fusion은 모의실험에서 자유 낙하하는 직경 1mm의 철구를 레이저로 정확하게 조사하는 기술을 실증했다.

레이저 핵융합이란 중수소와 삼중수소(트리튬)를 혼합한 직경 2~3mm의 얼음과 같은 혼합연료 펠릿에 초고출력 레이저를 조사함으로써 핵융합을 일으키는 것이다. 이때 레이저는 ‘폭축용 레이저’와 ‘점화용 레이저’가 사용된다.

-- 2종류의 레이저, 조사 시간은 0.1피코초 --
폭축용 레이저는 혼합연료를 향해 3차원적으로 모든 방향에서 조사함으로써 연료를 압축시키는 역할을 맡고 있다. 압축한 연료에 대해 점화용 레이저를 조사, 핫스팟이라고 불리는 ‘섭씨 1억℃∙밀도 1,000배’ 이상의 고온 및 고밀도 영역을 국소적으로 만들어내 타오르도록 핵융합 반응을 연료 전체에서 일으킨다.

이것을 고속점화방식이라 부르며, 두 종류의 레이저가 거의 동시에 혼합연료에 조사해야 핵융합반응이 일어난다. 이 조사의 제어가 어렵다. EX-Fusion이 계획 중인 핵융합로에서는 혼합연료를 100m/s로 핵융합로 내에 사출한다. 신칸센보다 고속으로 사출된 직경 2~3mm 정도의 연료를 향해 레이저를 정확히 맞혀야 하는 것이다.

또한, 레이저의 조사 시간은 폭축용이 나노초(10-9 s) 스케일, 점화용은 0.1 피코초(10-12 s)에 불과하다. 참고로, 0.1 피코초 동안 빛이 진행되는 거리는 0.03mm. 따라서 레이저의 정확한 조사에는 목표물에 대한 고정밀 위치추정기술과 0.01mm 오더로 조사 위치를 조정하는 정밀한 제어기술이 요구된다. 이 위치 추정과 레이저제어기반기술을 EX-Fusion은 모의실험을 통해 실증했다.

-- 핵융합로를 상정해 실험, 정밀도 99% --
모의실험에서의 조사 목표물은 혼합연료 대신 약 4m/s의 속도로 자유 낙하하는 직경 1mm의 철구가 사용되었다. 실제 핵융합로에서 연료가 사출되는 주기는 초당 10회(10Hz)로 상정되기 때문에 철구가 낙하하는 주기도 같은 10Hz가 되도록 설계했다. 또한, 레이저도 철구의 주기에 맞추어 10Hz의 펄스 레이저로 조사했다.

모의실험은 레이저 제어의 검증일 뿐, 실제로 핵융합을 일으키는 것은 아니었다. 다만, 계획 중의 핵융합로 사양과 동일하게 ‘폭축 모의 레이저’는 수 나노초 간, ‘점화 모의 레이저’는 0.1 피코초 간의 시간 스케일로 레이저를 조사했다.

제어 모듈에 있어서의 폭축 모의 레이저는 파장 525nm의 녹색 레이저광을 4개 방향에서 철구를 향해 조사했다. 철구는 낙하하는 과정에서 1mm 정도의 위치 이동이 발생하기 때문에 정확하게 레이저를 쏘려면 철구에 대한 고도의 위치추정과 조사위치 조정기술이 요구된다. 그래서 EX-Fusion은 철구 통과 시에 그 위치에 대응하는 전압을 출력하는 위치센서를 복수 설치해, 감지한 위치 정보를 통해 낙하 지점을 추정. 추정 결과를 토대로 지름 150mm의 거울(스티어링 미러) 등의 각도를 조정해 레이저의 조사 위치를 제어했다.

올 6월말 시점에서 레이저광이 직경 1mm의 철구에 닿는 정밀도는 99%로 높다. 조사 위치의 오차도 약 1m 앞의 철구에 대해 중심으로부터 0.2~0.3mm로 억제했다. 하지만, 실제 핵융합로에서는 5~10m 앞의 혼합연료에 대해 0.01mm 오더의 오차 범위를 목표로 하고 있다.

또한, 모의실험에서의 철구는 전술한 바와 같이 낙하 중에 1mm 정도의 낙하 위치 이동이 발생하지만, 100m/s로 사출되는 혼합연료의 경우, 위치 이동은 더욱 커질 가능성이 있다. 그래서 실제 핵융합로에서 정확히 레이저를 쏘려면 보다 고정밀의 위치 추정이 필요하게 된다.

EX-Fusion의 모리(森) 최고기술책임자(CTO)는 “거울을 조정하는 제어는 목표치를 달성했다. 과제는 투입한 타깃의 위치 추정이다”라고 설명. “보다 높은 정밀도에서의 위치 추정을 실현하기 위해 예를 들어, 위치센서의 수를 늘리는 등의 검토를 추진하고 있다. 정밀도를 높여 현재의 10분의 1 정도까지 오차를 줄이고 싶다”라고 말한다.

-- 모의실험에서도 2TW의 고출력 --
폭축 모의실험에서는 녹색인 가시광 레이저를 사용한 데 반해, 점화 모의실험에서는 근적외광인 파장 800nm의 펨토초 레이저를 채택했다. 암막으로 둘러싸인 레이저 모듈로 출력한 후, 빔 스플리터로 2개 방향으로 분할. 여기도 스티어링 미러로 제어하면서 수평의 2개 방향에서 목표를 향해 조사했다.

모의실험이라고는 하지만 레이저 출력은 높았고, 레이저 모듈의 사이즈도 컸다. 레이저 1개당 1초 간의 평균값은 1W였지만, 점화 모의 레이저는 조사 시간이 0.1 피코초이기 때문에 모듈의 피크 파워로는 2TW의 출력을 가졌다.

실제 핵융합로의 경우, 혼합연료를 감싸듯이 폭축용 레이저를 조사해 압축한다. 이 때문에 레이저 빔 직경은 연료의 직경과 동등한 사이즈가 된다. 한편, 점화용 레이저에서는 혼합연료가 10분의 1 크기 정도까지 압축된 시점에서 국소적으로 조사하기 때문에 빔의 직경도 폭축용에 비해 작다. 모의실험에서는 폭축 모의의 빔 직경이 철구와 같은 1mm인데 반해, 점화 모의의 빔 직경은 그 100분의 1인 0.01mm 정도였다.

-- 발전 실증은 2030년에 실시될 예정 --
다음 스텝으로 EX-Fusion은 2027년에 레이저에 의한 핵융합 반응에서의 중성자 발생을 목표로 하고 있다. 이를 위해서는 레이저 제어의 고정밀화 외에도, 혼합연료를 100m/s로 투입하는 사출장치를 개발할 필요가 있다. 이미 EX-Fusion의 오사카 본사에서 개발이 진행되고 있으며, 50m/s 정도에서의 사출 속도 제어는 실현되었다. “융합로 설계에 따라 최적의 속도나 위치는 바뀐다. 100m/s로 확정된 것은 아니며, 더 빨라질 가능성도 있다”(EX-Fusion)라고 한다.

실제로 레이저 핵융합로에서 발전이 가능한지에 대한 확인은 2030년으로 예정되어 있다. 다만, 2030년 시점에서는 대규모 발전을 상정하고 있지 않으며, 어디까지나 발전할 수 있는지에 대한 기술 실증에 그친다고 한다. 폭축용이나 점화용 레이저에 사용되는 소비전력 등, 투입한 에너지보다 많은 전력을 회수하는 순증(純增)의 상용로 실증실험은 2030~2040년 사이에 실현하는 것을 목표로 하고 있다고 한다.

EX-Fusion의 마쓰오(松尾) 공동 창설자 겸 최고경영책임자는 “레이저 핵융합은 궁극의 광기술이다. 연료의 사출 빈도를 1~10Hz로 변경하면 출력 변동도 용이하게 실시할 수 있기 때문에 베이스 로드 전원뿐만이 아니라, 피크 전원으로도 기대할 수 있다”라고 설명한다. 2040년 이후에는 1GW 이상의 대규모 전원 실현을 목표로 연구개발을 추진한다고 한다.

 -- 끝 --

Nikkei Monozukuri_2025.8 목차

도전자
조직의 틀을 대담 개혁, 정반대를 함께
구세 쿠니히로 (구리타공업 집행임원 그룹생산본부 밸류엔지니어링 부문장 겸 CTO)

뉴스의 심층
・닛산의 공장 폐쇄 '임팩트 없는' 재건책에 의심, 전문가는 냉담한 시각
・호쿠리쿠시장을 공격하는 복합 가공기나 MC, 나카무라도메/무라타기계/니덱OKK
・역분사에 의한 로켓의 수직착륙, 혼다가 국내 민간에서 첫 성공
・편안한 소리의 톱니바퀴와 이종(異種) 재료 접합 등, 기술을 자랑하는 중소 40개사가 전국에서 집결

REPORT
・일본제철의 US 스틸 인수 완료, ‘2조엔은 지극히 합리적’ 하시모토 회장
・샤프 가메야마공장에 후공정 실증 라인, 인텔 등 양호한 지반 등이 결정적 근거
・EV 실속으로 곤경에 처한 SiC 파워반도체, AI 서버용 GaN이 기대의 별인가?
・정지된 도호쿠신칸센 E8계, 2대의 보조전원장치 모두 고장

특집
조력자 육성, 여기까지 의지할 수 있는 외국인 근로자

Part 1. 동향
기술을 전수해 리더를 육성하다, 외국인이 선택하는 기업을 목표

Part 2. 미쓰에이금속제작소
전(前) 기능실습생 공장장 승진, 적극 채용으로 사업 확대

Part 2. 히노세이키(日野精機)
베트남 다음은 캄보디아, 적성검사 '건담 프라모델'로

Part 2. 스루가 생산 플랫폼
IT 인재를 아시아의 톱 대학으로부터, 채용 확대 2025년은 신규 졸업자의 반수

Part 3. 조사, 모노즈쿠리 조사 랩
'외국인 취업은 일본 제조업에 필요' 60% 이상, '제조/공장' 다음으로 많은 '연구/개발'

사고는 말한다
엑스포의 자율주행 버스가 옹벽에 충돌, 통신 설정 미스로 오류로 제동 안 걸려

니치아화학공업, 청색반도체 레이저 개발 이야기
LED보다 레이저를 하고 싶다
제1회 젊은 사원이 의견이 통하는 사풍

PICK UP
마렐리(Marelli) 또 파탄, 닛산 부진 부품업체들 동반 부진

서플라이 체인 신상식 걸작선
희토류 규제로 공장 중단도, 영향력 보여주는 중국
제4회

스타트업이 부딪히는 제품화의 5개 벽
쉽게 찾을 수 없는 ODM 업체
제11회

도요타 방식의 인재양성, 당신의 고민에 응답합니다
제134회: 낭비를 없애는 생산 방식을 관철하기 위해서는

EDITORS' ROOM
시대를 앞서가는 기사를 외

편집부 추천 책
일본 제조업은 정말 안되나

 -- 끝 –

Copyright © 2025 [Nikkei Monozukuri] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.