한국재료연구원 극한재료연구소 연구팀이 초고온, 고에너지입자 등 극한 환경의 핵융합로에 사용 가능한 저방사화 철강 K-RAFM을 개발했다고 밝혔다.

이창훈 책임연구원, 김치원 선임연구원, 최단웅 박사과정 학생연구원으로 구성된 연구팀이 개발한 K-RAFM 철강은 다른 국가에서 개발 중인 기존 저방사화 철강과 차별화되는 합금 성분과 우수한 특성을 가져, 한국형 핵융합로 핵심 소재를 확보한 것으로 평가된다.

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 미래 대량 청정 에너지원으로 주목받고 있다.

핵융합로를 건설하기 위해서는 1억℃의 초고온을 견디고 고에너지의 중성자 환경에서 사용할 수 있는 저방사화 철강이 필수다. 하지만 저방사화 철강은 크롬을 함유하고 있어 거칠고 큰 입자의 크롬계 탄화물을 생성한다. 이는 파괴 저항성을 저하시킨다.

또 핵융합 반응 중에 발생하는 고에너지 중성자가 저방사화 철강의 특성을 떨어뜨린다는 점도 각국의 연구진이 풀지 못한 숙제였다.

한국재료연구원 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 K-RAFM 철강을 개발했다. 이 기술은 저방사화 철강에 소량의 타이타늄을 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 더 치밀하고 균일해지면서, 파괴 저항성과 조사 저항성이 대폭 향상됐다.

K-RAFM강은 핵융합로의 블랑켓, 내부 용기, 디버터 등 핵심 구조 재료로 활용될 수 있다. 또 소형모듈형원자로, 우주 환경 구조물 등 방사선과 고온을 동시에 견뎌야 하는 다양한 첨단 분야로도 적용될 가능성이 크다.

연구팀은 창원대학교, 명지대학교와 공동 연구를 수행했고, 그 결과 SCI급 국제 학술지에 20여편을 포함해 약 30편의 국내외 논문을 발표했다.

또 2건의 특허 등록과 K-RAFM 상표 등록을 통해 지식 재산권도 확보함에 따라 앞으로 핵융합 실증로 건설을 대비해 대량 생산 기술 확보에도 박차를 가할 계획이다.

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"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국재료연구원의 기본사업과 한국연구재단의 핵융합연구 개발사업을 통해 수행됐다.