산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2025.10 (p18-20)

핵융합로의 노재(爐材)를 3D 프린터로 조형
도쿄과학대학과 금속기연이 검증

레이저 핵융합 실현을 위해 생산 비용을 포함한 노재(爐材)의 검토가 진행되고 있다. 연구 개발을 진행하는 도쿄과학대학에서는, 금속 3D 프린터로 적층 조형한 구조재로도 높은 내식성을 유지할 수 있는지 내구 시험을 시작했다.

일본 국내에서는 2030년대의 발전 실증을 목표로, 5~10m 규모의 소형 사이즈부터 레이저 핵융합로의 개발을 추진한다. 3D 프린터를 이용한 적층 조형의 합금에서도 내구성을 실증할 수 있으면, 향후의 핵융합로 실증을 위한 공기 단축이나 생산 비용 저하를 기대할 수 있다.

도쿄과학대학은 EX-Fusion(오사카부)이 주도해 개발하는 레이저 핵융합로 전용 노재로서 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 등으로 구성된 FeCrAl 합금을 검토하고 있다. 이번에 노재를 상정하고 금속 3D프린터로 이 합금을 조형. 표면이나 내부 구조를 확인한 결과, 공동(空洞) 등의 결함은 보이지 않았고, 기존 방법으로 만든 내구성 검증이 끝난 시편(試片)과 유사한 구조라는 것을 확인할 수 있었다.

-- 블랭킷 내부를 순환하는 액체 LiPb --
EX-Fusion이 구상하는 핵융합로는, 노 내부에 사출한 중수소와 삼중수소(트리튬)의 혼합 연료에, 복수의 고출력 레이저를 조사하여 핵융합 반응을 일으킨다. 이 핵융합 반응에서 발생한 고속으로 움직이는 중성자를, ‘블랭킷’이라고 불리는 로의 벽면부에서 받아 열에너지를 회수한다. EX-Fusion은 이 블랭킷에 리튬과 납으로 이루어진 액체 금속(액체리튬납합금: LiPb)을 순환시키는 구조를 검토하고 있다.

블랭킷에 액체 LiPb를 사용하는 이유는 중성자와 리튬이 반응해 핵융합 연료가 되는 삼중수소를 얻을 수 있기 때문이다. 600℃의 액체 금속 환경에서 삼중수소를 포화 상태까지 생성할 수 있다면, 열회수 과정에서 액체 금속의 온도가 저하될 때 삼중수소를 회수할 수 있다. 또한 액체 금속에 포함되는 납(208Pb)은, 중성자 1개를 받으면 2개의 중성자를 방출하는 ‘중성자 증배 효과’도 기대할 수 있어, 액체 LiPb의 채택을 계획하고 있다.

-- 600℃의 액체 금속에 견디는 FeCrAl 합금 --
그러나 이 액체 LiPb에는 높은 부식성이라는 난점이 있다. 블랭킷에서는 600℃의 액체 금속이 유속 10cm/s 정도로 내부를 흐른다. 스테인리스 등 통상의 합금은 노재에 사용할 수 없고, 그렇다고 텅스텐 등 내열성이 뛰어난 금속은 비용이 높은 데다가 가공도 어렵다.

그 때문에 핵융합로 실현을 위해서는 고온이면서 유동 환경에서도 내식성이 높은 저렴한 노재 개발이 필요하다. 그래서 도쿄과학대학 종합연구원 제로카본에너지연구소의 곤도(近藤) 준교수 연구팀이 주목한 소재가 FeCrAl 합금이다.

FeCrAl 합금은 높은 내식성을 가진 합금으로, 일부 연구자들 사이에서 'Crazy FeCrAl'로 불린다. 도쿄과학대학의 곤도 교수 연구팀이 실시한 내구성 검증에서는 FeCrAl 합금의 시편에 미리 두께 1~2µm 정도의 알루미나(Al2O3)의 산화피막을 형성시켰다.

이 전처리에서 형성한 산화피막이 액체 금속인 리튬과 반응하면, 산화피막의 표면에 배리어층(LiAlO2)이 만들어져, 높은 내식성을 얻을 수 있다. 과거 검증에서는 600℃의 유동 환경에서 1000시간에 이르는 내구 시험을 실시한 결과, 질량 손실은 1g/m2로 낮았다. 내구성으로서는 더할 나위 없는 성능이다.

다만 핵융합로의 노재로서 채택한다면, 가공법을 포함한 제조 비용의 정밀 검토가 필요하다. 특히 레이저 핵융합로의 경우 5m 규모의 소형로 내부에 레이저 조사용 경로를 여러 개 배치하기 때문에 모양이 복잡하다. 주조 등의 기존 방식으로 제작하면 용접 부위도 포함해 세밀하게 내구성을 확인할 필요가 있기 때문에 실현까지 시간이 걸린다.

-- 핵융합로의 조형, 이상은 3D 프린터 --
그래서 연구팀이 검토하고 있는 것이 3D 프린터를 이용한 레이저 적층 조형 방식으로 핵융합 노재를 제작하는 것이다. 복잡한 모양이나 설계 변경에 대응하기 쉽고, 주형이 불필요하기 때문에 핵융합로의 시제품 제작의 공기 단축으로도 이어진다. 우선 도쿄과학대학은 3D 프린터에 의한 적층 조형 소재로 액체 금속에 의한 장시간 내구 시험을 실시하기로 했다.

내구 시험용의 샘플 제작은 금속기연(도쿄)이 담당했다. 독일 EOS의 금속 3D 프린터 ‘EOSINT M290’으로 작성한 샘플을, 도쿄과학대학에서 절단하여 실험 조건별 시편으로 나눈다. 그대로 액체 금속에 노출하거나 미리 산화피막을 형성시키는 등 조건을 바꾸고, 주조 등 기존 기법으로 제조한 FeCrAl 합금과 비교해 내식성에 손색이 없는지 검증한다.

다만 3D 프린터에 의한 적층 조형 소재는 '내부에 결함이 생기기 쉽다'는 우려가 있다. 공동연구를 담당하는 금속기연 기술개발본부 오노이(尾ノ井) 차장은 “내부 밀도 측면에서 보면 99%가 한계다”라고 설명한다. 차선책으로서 만약 내부 결함이 생겨 내식성에 문제가 생겼을 경우, 고온·고압 환경에서 재료 강도를 높이는 ‘HIP(Hot Isostatic Pressing) 처리’를 통해 보강하는 방안도 검토하고 있었다.

-- 반가운 오산, 적층 조형 소재 결함 없음 --
그런데 2025년 8월, 반가운 오산이 있었다. 홋카이도에 있는 초고압 전자현미경으로 내구 시험 전의 적층 조형 소재를 나노 스케일로 확인한 결과, 산화피막의 박리나 눈에 띄는 공동 등의 결함이 발견되지 않았다고 한다. 도쿄과학대학의 곤도 교수는 “이미 내구성을 증명한 시편과 구조가 유사했다. 이 정도면 적층 조형 소재의 결과도 기대할 수 있을 것 같다”라고 목소리를 높였다. 내구 시험을 마친 적층 조형 소재는 올 가을에도 분석을 진행할 예정이다.

3D 프린터를 이용한 적층 조형 소재의 액체 LiPb 합금에 대한 내식성을 증명할 수 있다면, 앞으로는 노재에 적합한 수명 평가나, 보호용 산화피막의 박리를 억제하는 전처리 등 부가가치 향상으로 이어진다. 다만, 만약 적층 조형 소재로는 어렵다는 검증 결과가 나왔을 경우에 대비해 분말 소결 등 다양한 가공법으로 제조한 구조재의 검증도 동시에 진행한다. 곤도 교수는 “앞으로 액체 LiPb 내에서 생성 예정인 삼중수소가, FeCrAl 합금의 산화피막을 투과해 누설되지 않는지도 검증할 계획이다”라고 밝혔다.

 -- 끝 --

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

Nikkei Monozukuri_2025.10 목차

도전자
생존을 걸고, 새로운 사업에서 BtoC 참여도
나와시로 미쓰히로(苗代 光博, 도요타합성 이사∙집행임원 CTO)

뉴스의 심층
・유럽 폐차 규제, 탄소섬유 금지는 철회 -- 신차의 재생 플라스틱에 바이오 플라스틱 불허
・핵융합로의 노재(爐材)를 3D 프린터로 조형, 도쿄과학대학과 금속기연이 검증
・제조업의 불안에 부응하는 화이트박스 AI, 도쿄대학발 스타트업 '3배 이상 고속화'
・대형 중공업 기업의 결산은 각인각색, GTCC나 항공∙우주 등의 수주가 호조

REPORT
・오사카메트로의 엑스포 귀가 곤란 트러블, 원인은 제3 레일 이음매에서의 지락(Ground Fault)

특집1
PFAS 규칙, 제조업에 초래하는 빛과 그림자

Part 1. 규제 강화의 행방
유럽과 미국발, 규제의 지각변동 -- 대체 곤란으로 신중론도 대두

Part 2. 임팩트
일괄 규제라면 수십 조 엔 산업 직격탄, 전전긍긍하는 반도체와 자동차

Part 3. 탈 PFAS
PFAS 프리에 비즈니스 기회, 가속하는 대체품 개발

Part 4. 분석 서비스
규제 대책을 위해 수요 급증, 매출 10배의 경우도

Part 5. 분해∙제거
분리 회수 등 처리 기술이 속속 등장, 일본 기업들이 노리는 30억 달러 시장

특집2
기가캐스트 대 핫스탬프
일체 성형으로 경쟁하는 자동차 바디

Part 1
핫스탬프에 다시 각광 -- 테슬라, 기가캐스트를 일부 폐지

Part 2
기가캐스트는 한정적 -- 혼다, 1.5GPa급 핫스탬프를 활용

Part 3
알루미늄과 강철은 단면으로 구별 사용 -- 닛산, 차체 골격 '일체화는 당연'

Part 4
배터리 케이스의 최전방 -- 닛산은 알루미늄, 테슬라는 강철 증가로

제조 조사 랩
희토류 규제의 영향 40% 남짓 '있음', 조달 루트 다양화에 쫓기는 기업
-이번 조사 테마 ‘희토류의 서플라이 체인에 관한 실태’-

니치아화학공업, 청색반도체 레이저 개발 이야기
고가의 기판도 아낌없이 사용
제3회 니치아화학 특유의 경영 방침

PICK UP
신칸센 고다마 764호의 발연, 보호 장치 작동 안돼 기기 손상 확대 외

서플라이 체인 신상식 걸작선
천재 해커보다 훨씬 무서운, 서플라이 체인을 위협하는 사람들
제6회

도요타 방식의 인재양성, 당신의 고민에 응답합니다
제136회: 일본기업이 강점을 발휘하기 위해서는

EDITORS' ROOM
플라스틱 모델의 유효성을 인식 외

편집부 추천 책
사고의 ‘질’을 알기 위해

 -- 끝 –

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