▲ (右부터)재료연 최단웅 박사과정 학생연구원, 이창훈 책임연구원, 김치원 선임연구원이 핵융합 철강재료 ‘K-RAFM’을 개발했다.

국내 연구진이 초고온·고방사선 환경을 견뎌 SMR, 우주 환경 구조물 등 다양한 분야에 적용 가능 핵융합로용 저방사화 철강 ‘K-RAFM’을 개발해 핵심 구조재료의 국산화와 미래 극한환경용 소재 자립에 기여할 것으로 기대된다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 극한재료연구소 이창훈 박사 연구팀(이창훈 책임연구원, 김치원 선임연구원, 최단웅 박사과정 학생연구원)이 초고온, 고에너지입자 등 극한 환경의 핵융합로에 사용이 가능한 저방사화(RAFM) 철강, 일명 ‘K-RAFM 철강을 개발했다고 10일 밝혔다.

K-RAFM(K-Reduced Activation Ferritic/Martensitic) 철강은 기존 저방사화 철강과 차별화된 합금 설계 및 열처리 공정을 통해 고온 및 방사선 환경에서의 기계적 안정성과 구조적 신뢰성을 대폭 향상시켰으며, 한국형 핵융합로의 핵심 구조재료로서 활용 가능성을 입증했다.

핵융합 반응은 가벼운 원자핵이 융합하여 더 무거운 원자핵으로 전환될 때 에너지를 방출하는 과정으로, 태양의 에너지 생성 원리와 동일하다. 이 과정에서 발생하는 고에너지를 전기에너지로 전환하는 것이 핵융합 발전이며, 이산화탄소나 장기 핵폐기물 없이 대량의 청정 에너지를 생산할 수 있어 미래 에너지원으로 주목받고 있다.

핵융합로의 안정적 운용을 위해서는 1억 ℃ 이상의 초고온과 고에너지 중성자에 동시에 견딜 수 있는 고성능 저방사화 철강이 필수적이다. 그러나 기존의 저방사화 철강은 크롬(Cr)을 포함하고 있어 고온 환경에서 거칠고 큰 크롬계 탄화물이 생성되고, 이로 인해 파괴 저항성이 저하되며, 중성자 조사에 따른 특성 열화 문제도 지속되어 왔다.

KIMS 연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 소량의 타이타늄(Ti)을 첨가하고, 기존보다 낮은 열처리 온도(기존 760℃ → 730~740℃)를 적용하는 공정을 도입했다. 타이타늄은 미세한 MC 탄화물 생성을 유도해 크롬계 탄화물의 성장을 억제하고, 조직의 균일성과 치밀도를 향상시켰다. 그 결과, 파괴 저항성과 조사 저항성이 크게 개선되었으며, 극한 환경에서의 신뢰성 있는 구조재료로서 K-RAFM 철강의 우수성이 입증되었다.

K-RAFM은 핵융합로의 블랑켓(핵융합로 내부 벽을 보호하는 구조물), 내부용기, 디버터(핵융합로 내부 불순물을 제거하는 장치) 등 핵심 구조재료로 활용될 수 있다. 또한, 소형모듈형원자로(SMR), 우주 환경 구조물 등 방사선과 고온을 동시에 견뎌야 하는 다양한 첨단 분야로도 적용될 가능성이 크다.

연구팀은 창원대학교(홍현욱, 문준오 교수 연구팀), 명지대학교(신찬선 교수 연구팀)과 공동연구를 수행했고, 그 결과 SCI(E)급 국제학술지에 20여 편을 포함해 약 30편의 국내외 논문을 발표했다. 또한, 2건의 특허 등록과 ‘K-RAFM’ 상표등록을 통해 지적재산권도 확보함에 따라 향후 핵융합 실증로(시험용 발전소) 건설을 대비해 대량생산 기술 확보에도 박차를 가할 계획이다.

연구책임자인 KIMS 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.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIMS의 기본사업과 한국연구재단의 핵융합연구개발사업을 통해 수행됐다.