금속 칵테일처럼 혼합해 ‘핵융합 대면재’로 사용한다

류호진 KAIST 교수, 핵융합 플라즈마 대면재 가능한 신소재 개발

KAIST(한국과학기술원)는 원자력및양자공학과 류호진 교수 연구팀이 칵테일처럼 다양한 원소를 혼합하는 방식으로 ‘핵융합 플라즈마 대면재’로 적용할 수 있는 신소재 합금을 개발했다고 24일 밝혔다.

이번 연구로 극한 환경에서 사용되는 금속의 범위가 넓어질 것으로 전망된다.

미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전을 실현하려면 고온의 플라즈마를 가두는 토카막(tokamak) 용기의 내구성이 중요하다.

도넛 모양의 토카막은 강한 자기장을 통해 1억℃가 넘는 플라즈마를 안정적으로 유지하는 역할을 한다.

플라즈마 고온에 따른 열부하, 플라즈마 이온, 중성자 등 때문에 토카막 용기는 손상이 발생한다.

토카막 용기를 보호하기 위한 대면재로는 보통 텅스텐이 사용되고 있으나, 이보다 더 고성능의 신소재 개발이 요구됐다.

연구팀은 기존 텅스텐에 소량의 금속을 첨가해 물성을 개량하는 방법들이 아닌 다량의 금속을 동시에 혼합하는 기술을 활용했다.

칵테일처럼 여러 금속 분말을 혼합해 소결하는 ‘분말야금’ 기술로 텅스텐보다 경도와 강도가 2배 이상 높아진 신소재 합금을 제조하는 데 성공했다.

핵융합에서 다양한 물질을 함께 혼합하는 방식은 방사능을 발산하는 등 문제점이 발생할 수도 있다.

그 예로 몰리브덴ㆍ니오븀 등을 핵융합을 하면서 발생하는 중성자와 반응을 해 방사성이 높은 원소로 탈바꿈하는 방사화 현상이 나타나 방사능을 내기도 한다.

연구팀은 크롬ㆍ티타늄 등을 첨가했다.

이는 경도 향상, 제조 공정의 촉진, 방사화 방지 등 효과를 나타냈다.

연구팀은 고온 기계적 특성과 더불어 열전도도, 플라즈마 상호작용, 중성자 조사취화, 트리튬 흡수 억제, 고온 내산화 특성 등을 최적화하는 합금 조성을 찾고자 연구를 지속할 계획이다.

류 교수는 “핵융합 플라즈마 대면재는 열 충격과 플라즈마 및 중성자로 손상이 심해 이를 견딜만한 금속이 없을 정도로 극한적 환경에 노출된다”며 “이번 연구결과로 핵융합 및 원자력용 고융점 저 방사화 금속을 개발하고자 하는 시도가 전 세계적으로 활발해질 것”이라고 말했다.

이 연구는 오와이스 왓심 박사과정이 1저자로 참여했으며, 지난 16일 온라인 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’에 실렸다. 최소망기자somangchoi@