(오른쪽부터)최단웅 박사과정 학생연구원, 이창훈 책임연구원, 김치원 선임연구원.(사진=재료연 제공)

한국재료연구원(KIMS)은 극한재료연구소 이창훈 박사 연구팀(이창훈 책임연구원, 김치원 선임연구원, 최단웅 박사과정 학생연구원)이 초고온, 고에너지입자 등 극한 환경의 핵융합로에 사용이 가능한 저방사화(RAFM, Reduced Activation Ferritic/Martensitic) 철강, 일명 ‘K-RAFM(케이-알에이에프엠)’ 철강을 개발했다고 10일 밝혔다. K-RAFM 철강은 타 국가에서 개발 중인 기존 저방사화 철강과 차별화되는 합금 성분과 우수한 특성을 가져 한국형 핵융합로 핵심 소재를 확보한 것으로 판단된다.

핵융합 반응은 태양에너지와 같은 원리로 가벼운 원자핵들이 융합해서 더 무거운 원자핵으로 변환되는 반응이다. 이 과정에서 매우 큰 에너지가 발생하며, 이를 전기에너지로 활용하는 게 핵융합 발전이다. 핵융합 발전은 핵폐기물과 이산화탄소가 발생하지 않아 미래의 대량 청정 에너지원으로 각광받고 있다.

핵융합로를 건설하기 위해서는 1억℃의 초고온을 견디고 고에너지의 중성자 환경에서 사용할 수 있는 저방사화 철강이 필수다. 하지만 저방사화 철강은 크롬(Cr)을 함유하고 있어 거칠고 큰 입자의 크롬계 탄화물을 생성한다. 이는 파괴 저항성(깨지지 않는 힘)을 저하한다. 또한 핵융합 반응 중에 발생하는 고에너지 중성자가 저방사화 철강의 특성을 떨어뜨린다는 점도 각국의 연구진이 풀지 못한 숙제였다.

KIMS 연구팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 ‘K-RAFM’ 철강을 개발했다. 본 기술은 저방사화 철강에 소량의 타이타늄(Ti)을 첨가하고 열처리 온도를 낮추는 공정을 적용했다. 타이타늄은 미세한 MC 탄화물 생성을 유도해 크롬계 탄화물의 크기를 줄이는 역할을 한다. 그리고 열처리 온도를 기존 760℃에서 730~740℃ 수준으로 낮춰 크롬계 탄화물을 더 미세하게 만들었다. 그 결과 저방사화 철강 내부 구조가 더욱 치밀하고 균일해지면서 파괴 저항성과 조사 저항성이 대폭 향상됐다. 이러한 결과로 ‘K-RAFM’ 철강이 핵융합로 안전성 확보에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

K-RAFM강은 핵융합로의 블랑켓(핵융합로 내부 벽을 보호하는 구조물), 내부용기, 디버터(핵융합로 내부 불순물을 제거하는 장치) 등 핵심 구조재료로 활용될 수 있다. 또한 소형모듈형원자로(SMR), 우주 환경 구조물 등 방사선과 고온을 동시에 견뎌야 하는 다양한 첨단 분야로도 적용될 가능성이 크다.

연구팀은 국립창원대학교(홍현욱, 문준오 교수 연구팀), 명지대학교(신찬선 교수 연구팀)와 공동연구를 수행했고, 그 결과 SCI(E)급 국제학술지에 20여 편을 포함해 약 30편의 국내외 논문을 발표했다. 또한 2건의 특허 등록과 ‘K-RAFM’ 상표등록을 통해 지적재산권도 확보함에 따라 향후 핵융합 실증로(시험용 발전소) 건설을 대비해 대량생산 기술 확보에도 박차를 가할 계획이다.

연구책임자인 KIMS 이창훈 책임연구원은 “K-RAFM 철강이 상용화되면 핵융합 발전소의 안전성 확보와 소재 기술의 자립화에 크게 기여할 수 있을 것”이라며 “아울러 이번 성과가 국내 철강 산업의 경쟁력을 한층 높이는 계기가 되길 기대한다”라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIMS의 기본사업과 한국연구재단의 핵융합연구개발사업을 통해 수행됐다.