류호진 KAIST 교수 "텅스텐보다 경도·강도 2배 향상"

고융점 금속 혼합 공정을 통한 핵융합 플라즈마 대면재 개발 개요.<사진=KAIST 제공>
고융점 금속 혼합 공정을 통한 핵융합 플라즈마 대면재 개발 개요.<사진=KAIST 제공>
국내 연구팀이 1억℃ 고온을 견딜 수 있는 핵융합용 신소재 합금을 개발했다.

KAIST(총장 신성철)는 류호진 원자력 및 양자공학과 교수 연구팀이 칵테일처럼 여러 원소를 혼합하는 방식으로 핵융합 플라즈마 대면재로 적용 가능한 신소재 합금을 개발했다고 24일 밝혔다.

핵융합 발전은 고온 플라즈마를 가두고 있는 토카막(tokamak) 내구성이 중요하다. 도넛 모양의 토카막은 강력한 자기장을 통해 1억℃가 넘는 플라즈마를 안정적으로 유지시켜주는 역할을 한다.

플라즈마 고온에 따른 ▲열부하 ▲플라즈마 이온 ▲중성자 등으로 인해 토카막 손상이 빈번하게 발생한다. 토카막을 보호하기 위한 대면재로 텅스텐 금속이 쓰이고 있으나 완벽한 핵융합 발전을 위해 고성능 신소재의 개발이 필수적이다.

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

마치 칵테일처럼 여러 금속 분말을 혼합한 후 소결하는 분말야금 기술이다. 연구팀은 텅스텐보다 경도·강도가 2배 이상 향상된 신소재 합금을 제조하는데 성공했다.

핵융합에서 다양한 물질을 혼합하는 방식은 역효과를 발생시키기도 한다. 한 예로 몰리브덴과 니오븀 등은 핵융합을 하면서 발생하는 중성자와 반응해 방사성이 높은 원소로 탈바꿈하는 '방사화 현상'이 발생하기도 한다.

연구팀은 역효과를 고려해 크롬·티타늄 등을 첨가했다. 경도·강도 향상 뿐만 아니라 제조 공정의 촉진·방사화 방지 등의 효과도 얻었다.

류호진 교수는 "핵융합 플라즈마 대면재는 열 충격과 플라즈마·중성자로 인한 손상이 극심해 이를 견딜만한 금속이 없을 정도로 극한적 환경에 노출된다"라며 "이번 연구결과로 핵융합와 원자력용 고융점 저 방사화 금속을 개발하는 연구가 세계적으로 활발해질 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 온라인 국제 학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Report)'에 16일자로 게재됐다.

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