핵융합로 구조용 소재 개발 시급

■ 핵융합 소재 기술의 정의 및 분류

세계 각국은 석탄, 석유와 같은 화석연료의 고갈과 이산화탄소로 인한 지구온난화 문제를 해결하기 위해 태양광, 풍력 등의 신재생에너지원의 개발에 많은 투자를 하고 있지만, 그 효율성으로 인해 미래 대량의 에너지원으로 많은 한계를 가지고 있다. 원자력에너지는 2011년 일본 후쿠시마 원전 사고 이후로 안정성 문제가 대두되면서 세계적으로 그 비중을 점차 줄이는 추세이다. 세계 비즈니스 협의회의 최근 보고에 따르면, 전 세계 인구는 지속적으로 증가하고 있는 반면, 대량의 에너지원은 눈에 띄지 않고 있다. 석탄, 석유의 화석 에너지원은 점차 감소하고 있고, 재생 에너지와 원자력 에너지는 상당히 더디게 증가하고 있다.

이러한 상황에서 대량의 에너지원이며 동시에 친환경 에너지원으로 핵융합에너지가 가장 유력하게 대두되고 있다. 게다가 핵융합에너지의 미래 발전 단가는 타 에너지원과 비교해도 충분히 원가 경쟁력을 갖춘 것으로 평가되고 있다. 핵융합에너지는 대량의 미래 에너지원이 갖춰야 할 요인인 지구온난화, 연료 고갈, 안정성 등의 문제를 모두 해결할 수 있다.

원자력에너지는 우라늄, 플루토늄과 같은 원자가 외부의 중성자로 인해 핵분열의 연쇄반응을 일으키는 과정에서 나오는 에너지를 가리키고, 이러한 에너지를 활용해 발전을 하는 것이 원자력발전이다. 원자력발전에서는 필연적으로 발생하는 방사성 물질 및 폐기물의 저장이 가장 큰 단점으로 꼽힌다. 반면, 핵융합에너지는 수소와 같은 가벼운 원소가 서로 결합하여 헬륨이 되면서 발생하는 질량 결손에 의해 발생하는 에너지를 일컫는다. 보다 정확히는 고온의 플라즈마 상태에서 중수소와 삼중수소의 결합으로 헬륨원자가 생성되고 중성자 결손에 의해 14.1MeV의 에너지가 발생된다. 따라서 핵융합에너지는 원자력에너지와 달리 방사성 폐기물이 발생하지 않는 청정에너지로 평가되고 있다.

우리나라는 2007년에 한국형 초전도 토카막 장치인 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 개발에 성공하였고, KSTAR를 통한 플라즈마 발생도 무사히 성공하여 핵융합기술의 선도국 대열에 합류하였다. 뿐만 아니라, 현재는 KSTAR 성공을 바탕으로, 현재 미국, EU, 일본, 러시아, 중국, 인도 등과 함께 전 세계적인 핵융합 프로젝트인 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)에도 참여하고 있으며, ITER 기술력을 바탕으로 미래 핵융합 실증로 사업을 계획하고 있다.

핵융합 실증로 개발을 위해서 가장 핵심 기술 중의 하나인 블랭킷(blanket)의 개발이 선행되어야 한다. 블랭킷은 중수소와 삼중수소의 핵융합 반응으로 발생되는 에너지를 열에너지 변환을 통해 발전을 할 수 있도록 하는 모듈이다. 또한, 핵융합 반응 중에 발생되는 고에너지 중성자의 조사로부터 핵융합로의 구조물을 보호해야 한다. 뿐만 아니라, 핵융합 반응의 주원료인 삼중수소의 지속적인 공급의 역할도 담당한다.

블랭킷은 상당히 가혹한 환경에 노출됨을 쉽게 예상할 수 있다. 1억℃ 이상의 플라즈마 하에서 중수소와 삼중수소가 핵융합 반응을 일으켜 헬륨과 고에너지의 중성자가 움직이는 환경에서 핵융합로의 구조물을 보호해야 한다. 블랭킷은 플라즈마와 맞닿는 부분은 대면부(Plasma Facing Component, PFC)와 블랭킷의 모듈과 내부의 증식재를 보호하기 위한 구조부(First Wall, Side Wall, Back Wall 등)로 이루어져 있다. 1억℃ 이상의 플라즈마와 맞닿아 있는 대면부용 소재로는 고온 강도가 우수하고 녹는점이 높은 W 또는 W 합금이 많이 연구되고 있다. 블랭킷 구조부는 냉각수로 인해 대면재 정도의 고온 특성이 요구되지는 않지만, 발전 효율성을 고려하면 우수한 고온 특성이 요구된다. 아울러, 중성자 내조사성, 저방사 특성, 크리프(creep) 특성, 수소 저항성, 용접 특성 등 다양한 특성이 요구된다. 이에 저방사화 페라이트/마르텐사이트(Reduced Activation Ferritic/Martensitic, RAFM)강, 산화물분산강화(Oxide Dispersion Strengthened, ODS) 강, V 합금, SiCf/SiC 복합재료 등이 거론된다.

■ 핵융합 소재 기술의 원리

앞서 기술한 바와 같이, 블랭킷 모듈의 사용 환경은 고온의 환경, 중수소와 삼중수소의 존재, 핵융합 반응으로 생성되는 고에너지의 중성자와 헬륨이 존재하는 상황이다. 이에 블랭킷용 구조재는 고강도, 고인성, 크리프(creep) 특성, 내피로특성, 저방사 특성, 중성자 내조사성 및 조사팽윤(swelling) 저항성, 수소취화 저항성, 용접특성 등 극한의 특성을 요구한다. 이에 기존 설비의 추가없이 대량/대형 생산이 가능하고, 용접특성이 우수한 RAFM 강이 가장 유력한 후보 소재로 평가되고 있다. 핵융합로 구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 고강도, 고인성이 필수적이다. 게다가 고온의 환경에서 장시간 사용되기 때문에 크리프 특성 및 열피로 특성 또한 우수해야 한다. 그리고 수소를 핵융합 원료원으로 활용하기 때문에 수소 저항성 또한 필요하다. 특히나 14.1MeV의 고에너지 중성자 조사로 인해 재료가 취화되고, 방사화가 되기 때문에 중성자 내조사성 및 저방사 특성이 반드시 확보되어야 한다. 뿐만 아니라, 중성자 조사로 인해 재료 내부에 공공이 생성되어 조사팽윤이 발생하여 부품 치수의 불량을 유발할 수 있기 때문에 부피팽창에 대한 저항성 또한 필요하다. 구조물 제작을 위해서 우수한 용접성도 필수적이다. 이와 같이 다양한 극한의 요구특성을 모두 만족시킬 수 있는 소재는 현재까지는 RAFM 강이 거의 유일한 것으로 평가받는다.

극한 요구특성 만족 RAFM강 유일
세계 각국 RAFM강 연구개발 총력

RAFM 강은 기존의 9Cr-1Mo계 화력 발전용 내열강으로부터 Mo, Nb 등의 고방사성 합금원소를 W, Ta 등의 저방사성 합금원소로 치환한 강이다. 대략적인 합금조성은 질량 %로(8∼9)Cr -(1∼2)W -(0.05∼0.15)Ta - 0.2V - 0.1C를 나타낸다. 이러한 합금원소의 RAFM 강은 일반적으로 약 1,000℃에서의 노말라이징(normalizing)과 750℃ 수준에서의 템퍼링(tempering)의 열처리를 통해 최종적으로 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 기지조직에 결정립, 래스(lath) 경계에 존재하는 Cr계 탄화물인 M23C6 탄화물과 TaC과 같은 MX 석출물이 존재하는 미세조직을 나타낸다. 이러한 열처리와 미세조직으로부터 약 550MPa의 항복강도와 650MPa의 인장강도, 20% 수준의 연신율과 약 -60℃ 수준의 연성취성천이온도(Ductile Brittle Transition Temperature, DBTT)를 보인다.

현재 세계 각국에서는 독자적으로 자국 고유의 RAFM 강을 개발 중에 있다. 유럽에서는 Eurofer97이라는 RAFM 강을 개발 중에 있고, 일본에서는 F82H, 중국에서는 CLAM, 인도에서는 IN-RAFM 이름의 RAFM 강을 개발하고 있다. 우리나라에서는 원자력연구소에서 ITER 조달용으로 ARAA라는 이름의 RAFM 강을 개발하고 있고, 재료연구소 중심으로 Ti 첨가형 RAFM 강을 연구하고 있다. 이러한 RAFM 강은 향후 핵융합 기술의 실용화 단계에서는 국가 경쟁체제로 진행될 것으로 전망되기 때문에 많은 나라에서 RAFM 강 연구개발에 집중하고 있다.

■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성

다음은 OECD/IEA에서 제시한 미래 에너지 수요 전망이다. 앞으로는 1980∼2008년과 같은 가파른 에너지 수요의 상승세를 나타내지는 않을 것으로 전망되었다. 또한 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료과 원자력에너지의 비율도 크게 달라지지 않을 것으로 예상되었다. 뿐만 아니라, 신재생에너지의 수요도 급성장하지 않을 것으로 내다보고 있다. 이는 일부 선진국의 예상과는 달리, 전 세계적인 에너지 생산 방식의 급격한 변화는 어려울 것으로 전망하였다.

기후변화대응 관점에서 또 하나의 중요한 이슈가 온실가스 배출 문제이다. 하기에 1990∼2008년 사이 주요 국가별 온실가스 배출량의 추이를 나타내었다. 이 기간 동안 경제 규모가 가장 급성장한 중국의 온실가스 배출량의 증가폭이 가장 큼을 알 수 있다. 미국의 온실가스 배출량 또한 상당함을 알 수 있고, 향후에도 큰 폭의 저감은 기대하기 어려울 것으로 보인다. 이러한 온실가스 배출 추이를 볼 때, 미래의 획기적인 에너지원이 개발되기까지 온실가스 배출량은 크게 줄지 않을 것으로 보인다.

지금까지 예측된 미래 에너지원을 살펴보면, 현재 에너지 소비 패턴과 큰 차이가 없을 것으로 보인다. 미래에도 현재와 유사하게 석탄, 석유, 천연가스의 화석연료에 크게 의존할 것으로 예측되었다. 하지만, 화석연료의 매장량은 한정되어 있어 수십 년 내에 고갈이 예상되고, 더불어 화석연료로 인해 발생되는 이산화탄소와 같은 온실가스의 문제를 여전히 해결할 수 없다. 따라서 선진국을 중심으로 세계 각국은 태양열, 풍력, 수력, 연료전지 등의 신재생에너지 개발에 많은 역량을 투입하고 있고, 일본, 중국 등은 경제성과 안정성 등을 획기적으로 개선한 차세대 원자력 발전 개발에 박차를 가하고 있다. 하지만, 신재생에너지의 효율성이나 원자력 발전의 안정성에 여전히 많은 의구심이 있는 상황이다. 결국, 에너지 자원의 유한성을 극복하고, 친환경이며, 대량 생산성을 갖춘 미래 에너지원으로 핵융합에너지가 유력하게 대두되고 있는 상황이다. 앞 절에서도 언급했듯이, 핵융합에너지에 필요한 자원은 오직 중수소와 삼중수소인데 이는 바닷물 등에서 무한으로 공급받을 수 있으며, 이산화탄소 등의 온실가스나 사용 후 핵연료 등의 방사능 물질을 생성하지 않는다. 그리고 에너지 밀도가 다른 에너지 발생원과 비교해도 현저히 높다. 따라서 핵융합에너지는 미래 대용량의 고효율에너지원이 될 가능성이 높다. 이러한 친환경적 특성의 핵융합에너지가 인류의 삶에 도움이 되기 위해서는 핵융합로 건설을 통한 핵융합 발전이 반드시 성공해야 하는데, 현재 핵융합로 건설에 있어 여러 가지 난제가 존재한다. 그중 기술 개발이 가장 시급한 영역이 핵융합로용 재료, 그중에서도 핵융합로 구조용 소재의 개발이다.

▲ <그림 3-4-3-3>핵융합 원리

▲ <그림 3-4-3-4>KTAR 전경

▲ <그림 3-4-3-5>ITER 개념도

▲ <그림 3-4-3-6>블랭킷 개념도

▲ <표 3-4-3-1>각국에서 개발 중인 RAFM 강의 합금조성

▲ <그림 3-4-3-9> 핵융합로 건설을 위한 7대 중점 투자 필요 분야

▲ <그림 3-4-3-1>세계 에너지 수요 및 소비량