재료硏, 초고온 견디는 핵융합 철강재료 'K-RAFM' 개발

극한재료연구소 이창훈 박사 연구팀, 특허·상표등록 완료

타이타늄 소량첨가·열처리 최적화 파괴·조사 저항성 향상

소형모듈형원자로·우주 환경 구조물 등 다양한 적용 가능

[창원=뉴시스]핵융합 철강재료 ‘K-RAFM’을 개발한 한국재료연구원 연구팀. 왼쪽부터 김치원 선임연구원, 이창훈 책임연구원, 최단웅 박사과정 학생연구원.(사진=한국재료연구원 제공) 2025.06.10. [email protected]

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 극한재료연구소 책임연구원인 이창훈 박사, 김치원 선임연구원, 최단웅 박사과정 학생연구원 팀이 초고온·고에너지입자 등 극한 환경의 핵융합로에 사용이 가능한 저방사화(RAFM, Reduced Activation Ferritic/Martensitic) 철강, 일명 'K-RAFM' 철강을 개발했다고 10일 밝혔다.

'K-RAFM' 철강은 타 국가에서 개발 중인 기존 저방사화 철강과 차별화되는 합금 성분과 우수한 특성을 지녀 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 미래의 대량 청정 에너지원으로 각광받고 있다.

핵융합로를 건설하기 위해서는 1억 도의 초고온을 견디고 고에너지의 중성자 환경에서 사용할 수 있는 저방사화 철강이 필수다.

하지만 저방사화 철강은 크롬(Cr)을 함유하고 있어 거칠고 큰 입자의 크롬계 탄화물을 생성하고, 이는 파괴 저항성(깨지지 않는 힘)을 저하한다.

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

[창원=뉴시스]기존 RAFM 철강(왼쪽) 대비 K-RAFM 철강에서의 미세한 탄화물 분포.(자료=한국재료연구원 제공)2025.06.10. [email protected]

이와 같은 문제를 해결하기 위해 KIMS 이창훈 박사 연구팀은 'K-RAFM' 철강을 개발했다.

이 철강 제조 기술은 저방사화 철강에 소량의 타이타늄(Ti)을 첨가하고 열처리 온도를 낮추는 공정을 적용했다.

타이타늄은 미세한 MC 탄화물 생성을 유도해 크롬계 탄화물의 크기를 줄이는 역할을 한다.

그리고 열처리 온도를 기존 760도에서 730~740도 수준으로 낮춰 크롬계 탄화물을 더 미세하게 만들었다.

그 결과 저방사화 철강 내부 구조가 더욱 치밀하고 균일해지면서, 파괴 저항성과 조사 저항성이 대폭 향상됐다.

따라서 'K-RAFM' 철강은 핵융합로 안전성 확보에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

K-RAFM강은 핵융합로의 블랑켓(핵융합로 내부 벽을 보호하는 구조물), 내부용기, 디버터(핵융합로 내부 불순물을 제거하는 장치) 등 핵심 구조재료로 활용될 수 있다.

[창원=뉴시스]한국핵융합에너지연구원의 핵융합 반응 원리 및 핵융합로 에너지 발전 모식도.(자료=한국재료연구원 제공)20205.06.10.

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 연구팀과 공동 연구를 수행했고, 그 결과 SCI(E)급 국제학술지에 20여 편을 포함해 30편의 국내외 논문을 발표했다.

또한, 2건의 특허 등록과 'K-RAFM' 상표등록을 통해 지적재산권도 확보함에 따라 향후 핵융합 실증로(시험용 발전소) 건설을 대비해 대량 생산 기술 확보에도 박차를 가할 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIMS의 기본사업과 한국연구재단의 핵융합연구개발사업을 통해 수행됐다.

연구책임자인 이창훈 KIMS 책임연구원은 "K-RAFM 철강이 상용화되면 핵융합 발전소의 안전성 확보와 소재 기술의 자립화에 크게 기여할 수 있을 것"이라며, "이번 성과가 국내 철강산업의 경쟁력을 한층 높이는 계기가 되길 기대한다"고 말했다.


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