한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 극한재료연구소 이창훈 박사 연구팀이 초고온, 고에너지입자 등 극한 환경의 핵융합로에 사용이 가능한 저방사화(RAFM) 철강 'K-RAFM(가칭)' 개발에 성공했다.
RAFM은 중성자 조사 후 방사화가 낮아 방사선 방출이 적고 반감기가 짧은 철강으로 고온과 방사선 환경에서 안정적이기 때문에 핵융합로 구조재로 주로 활용된다.
이번에 개발한 K-RAFM은 다른 국가에서 개발 중인 기존 저방사화 철강과 차별화되는 합금 성분과 우수한 특성을 가져 한국형 핵융합로 핵심 소재를 확보하게 됐다.
핵융합로를 건설하기 위해서는 1억℃에 달하는 초고온을 견디고 고에너지 중성자 환경에서 사용할 수 있는 RAFM 철강이 필수다.
문제는 RAFM 철강이 크롬(Cr)을 함유하고 있어 거칠고 큰 입자의 크롬계 탄화물을 생성해 깨지지 않는 힘인 파괴 저항성을 저하한다는 점이다. 또 핵융합 반응 중 발생하는 고에너지 중성자가 RAFM 철강 특성을 떨어뜨린다는 점도 각국 연구진이 풀지 못한 숙제였다.
KIMS 연구팀이 개발한 K-RAFM 철강은 RAFM 철강에 타이타늄(Ti)을 수량 첨가하고 열처리 온도를 낮추는 공정을 적용했다. 타이타늄은 미세한 MC 탄화물 생성을 유도해 크롬계 탄화물의 크기를 줄이는 역할을 한다.
여기에 열처리 온도를 기존 760℃에서 730~740℃ 수준으로 낮춰 크롬계 탄화물을 더 미세하게 만들었다. 그 결과 RAFM 철강 내부 구조가 더욱 치밀하고 균일해지면서 파괴 저항성과 조사 저항성이 대폭 향상됐다.
K-RAFM 철강은 핵융합로 내부 벽을 보호하는 구조물인 블랑켓을 비롯해 핵융합로 내부 불순물을 제거하는 장치인 디버터, 내부용기 등 핵심 구조재료로 활용할 수 있다. 소형모듈형원자로(SMR), 우주 환경 구조물 등 방사선과 고온을 동시에 견뎌야 하는 다양한 첨단 분야로도 적용 가능성이 크다.
연구팀은 창원대학교(홍현욱·문준오 교수 연구팀), 명지대학교(신찬선 교수 연구팀)과 공동연구를 수행한 결과 SCI(E)급 국제학술지에 20여편을 포함해 약 30편의 국내외 논문을 발표했다. 2건의 특허 등록과 K-RAFM 상표등록을 통해 지적재산권도 확보함에 따라 향후 핵융합 실증로 건설을 대비해 대량생산 기술 확보에도 박차를 가할 계획이다.
이창훈 박사는 “K-RAFM 철강이 상용화되면 핵융합 발전소 안전성 확보와 소재 기술 자립화에 크게 기여할 수 있을 것”이라며 “이번 성과가 국내 철강 산업의 경쟁력을 한층 높이는 계기가 되길 기대한다”고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
