한국재료연구원 연구진 / 사진. 한국재료연구원

한국재료연구원(이하 KIMS)이 미래 에너지원으로 주목받는 핵융합 발전소 건설에 필수적인 핵심 철강소재 ‘K-RAFM’을 개발했다. K-RAFM은 기존 저방사화 철강(RAFM)의 한계를 극복한 차세대 소재로, 초고온·고에너지 중성자 환경에서도 우수한 성능을 발휘한다고 밝혔다.

KIMS 극한재료연구소 이창훈 책임연구원과 김치원 선임연구원, 최단웅 박사과정 학생연구원으로 구성된 연구팀은 타이타늄(Ti)을 소량 첨가하고, 열처리 온도를 기존보다 낮추는 공정 최적화를 통해 철강의 파괴 저항성과 조사 저항성을 향상시켰다. 이를 통해 K-RAFM은 크롬계 탄화물의 크기를 미세하게 제어하며 철강 내부 구조의 균일성과 치밀도를 높였고, 결과적으로 극한 환경에서의 안정성을 확보했다.

핵융합 발전은 태양의 에너지 생성 원리인 핵융합 반응을 인공적으로 구현해 전기를 생산하는 방식으로, 핵폐기물과 이산화탄소 배출이 없어 차세대 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 1억 ℃에 이르는 초고온과 고에너지 중성자 충격을 견딜 수 있는 구조재 개발은 전 세계적으로 풀기 어려운 기술 과제였다.

기존 저방사화 철강은 크롬(Cr)을 포함해 강한 내열성을 제공하지만, 고온 환경에서는 큰 입자의 탄화물이 생성돼 파괴 저항성이 떨어지는 문제가 있었다. 또 핵융합 중 발생하는 중성자는 철강의 조직을 손상시키는 문제점도 동반됐다. KIMS는 이러한 한계를 보완하기 위해 타이타늄 기반 탄화물(MC)을 유도해 크롬계 탄화물보다 작고 균일한 미세조직을 확보하는 데 성공했다.

이번에 개발된 K-RAFM은 핵융합로 내부 벽면인 블랑켓, 내부용기, 디버터와 같은 핵심 구조재료에 활용될 수 있으며, 향후 소형모듈형원자로(SMR), 우주 환경 구조물 등 고온·방사선 환경을 견뎌야 하는 다양한 첨단 분야에도 응용 가능성이 크다.

KIMS는 창원대학교 홍현욱·문준오 교수팀, 명지대학교 신찬선 교수팀과 공동연구를 통해 SCI(E)급 국제학술지 논문 20여 편을 포함한 총 30편 이상의 논문을 발표했다. 또한 2건의 특허 등록과 K-RAFM 상표 등록을 완료하며 지식재산권을 확보했고, 향후 핵융합 실증로 건설을 대비해 대량생산 기술 확보에도 박차를 가할 계획이다.

KIMS 극한재료연구소 이창훈 책임연구원은 “K-RAFM 철강이 상용화되면 핵융합 발전소의 구조재 자립화에 크게 기여할 수 있을 뿐 아니라, 한국 철강 산업 전반의 기술 경쟁력을 높이는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.