핵 융합에 쓰이는 도넛 모양의 토카막 장치는 1억도가 넘는 고온의 플라즈마를 안정적으로 유지시켜야 한다. 이번에 고온에 견디는 능력이 뛰어난 토카막 용기 신소재가 개발됐다. /사진제공=KAIST핵융합 발전은 미래 에너지원으로 여겨진다. 핵융합은 고온의 플라즈마를 가두고 있는 토카막(tokamak) 장치 내에서 일어난다. 도넛 모양의 토카막은 강력한 자기장을 통해 1억℃가 넘는 플라즈마를 안정적으로 유지시켜주는 역할을 한다. 그런데 고온에 따른 열부하, 플라즈마 이온, 중성자 등으로 인해 토카막 용기의 손상이 발생한다. 이 토카막 용기를 보호하기 위해 텅스텐 등의 금속이 쓰이고 있으나 완벽한 핵융합 발전을 위해서는 고성능 신소재의 개발이 필수적이다.
류호진 KAIST 원자력 및 양자공학과 교수 연구팀이 여러 원소를 혼합하는 방식을 통해 핵융합 플라즈마의 용기 재료로 사용 가능한 신소재 합금을 개발했다고 24일 발표했다. 여러 금속 분말을 혼합한 후 소결하는 분말야금 기술을 이용해 텅스텐보다 경도와 강도가 2배 이상 향상된 신소재 합금을 제조하는 데 성공한 것이다.
몰리브덴, 니오븀 등은 핵융합을 하면서 발생하는 중성자와 반응을 해 방사성이 높은 원소로 탈바꿈하는 문제가 있다.
류 교수 연구팀은 이러한 제약들을 고려해 크롬, 티타늄 등을 첨가했고 이는 경도 향상 뿐 아니라 제조 공정의 촉진, 방사화 방지 등의 효과를 얻어냈다.
연구팀은 고온 기계적 특성과 더불어 열전도도, 플라즈마 상호작용, 트리튬 흡수 억제, 고온 내산화 특성 등을 최적화하는 합금 조성을 찾기 위한 연구를 계속 진행할 예정이다.
류 교수는 “핵융합 플라즈마 용기는 열 충격과 중성자로 인한 손상이 극심해 이를 견딜만한 금속이 없을 정도”라며 “이번 연구를 통해 핵융합 발전과 같은 극한적 환경에서 사용되는 금속의 범위가 다양하게 확장될 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 핵융합기초연구사업과 전략구조소재 신공정설계 연구센터의 지원을 받아 수행됐다. 오와이스 왓심 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 온라인 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트’ 5월 16일자에 게재됐다.
