KAIST, 1억℃ 고온에 견디는 신소재 합금 개발

(대전·충남=뉴스1) 구본혁 기자 = 최적의 차세대 대체에너지 생산기술로 주목받는 핵융합발전에 적용이 가능한 신소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 원자력 및 양자공학과 류호진 교수 연구팀이 칵테일처럼 여러 원소를 혼합하는 방식을 통해 핵융합 플라즈마의 대면재로 적용 가능한 신소재 합금을 개발했다고 24일 밝혔다.

핵융합 발전을 구현하기 위해서는 고온의 플라즈마를 가두고 있는 토카막(tokamak) 용기의 내구성이 무엇보다 중요하다. 도넛 모양의 토카막은 강력한 자기장을 통해 1억℃가 넘는 플라즈마를 안정적으로 유지시켜주는 역할을 한다.

하지만 플라즈마의 고온에 따른 열부하, 플라즈마 이온, 중성자 등으로 인해 토카막 용기는 손상이 발생한다. 이 토카막 용기를 보호하기 위한 대면재로 텅스텐 등의 금속이 주로 사용되고 있지만 고온에 견딜 수 있는 고성능 신소재 개발이 요구돼 왔다.

연구팀은 텅스텐에 소량의 금속을 첨가해 물성을 개량하는 기존 방법들보다 한 발 더 나아가 다량의 금속을 동시에 혼합하는 기술을 활용했다.

이는 마치 칵테일처럼 여러 금속 분말을 혼합한 후 소결하는 분말야금 기술로 이를 통해 텅스텐보다 경도와 강도가 2배 이상 향상된 신소재 합금을 제조하는 데 성공했다.

핵융합발전에서는 다양한 물질을 함께 혼합하는 위와 같은 방식이 역효과를 발생시키기도 한다. 몰리브덴, 니오븀 등은 핵융합을 하면서 발생하는 중성자와 반응을 해 방사성이 높은 원소로 탈바꿈하는 방사화 현상이 발생해 방사능을 발산하기도 한다.

연구팀은 이 같은 문제점들을 고려해 크롬, 티타늄 등을 첨가했고 이를 통해 경도 향상 뿐 아니라 제조 공정의 촉진, 방사화 방지 등의 효과도 얻어냈다.

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

오와이스 왓심 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구성과는 온라인 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트’ 5월 16일자에 게재됐다.

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