중국의 획기적인 초강력 강철: 차세대 핵융합로를 움직이는 소재

중국의 초강력 강철: 핵융합의 도약

별의 에너지를 이용하려는 노력에서 핵융합은 깨끗하고 무한한 에너지의 성배로 꼽힌다. 하지만 원자핵을 융합하는 물리학 자체가 난제인 가운데, 오랫동안 그에 못지않게 formidable한 과제가 배경에 도사리고 있었다. 핵융합로 내부의 극한 환경을 견딜 만큼 강한 소재를 찾는 일이었다. 2023년 중국 과학자들은 CHSN01(중국 고강도 저온강 1호)의 개발과 투입이라는 획기적인 성과를 발표했다. 특수 설계된 이 합금은 현재 세계 최초의 핵융합 발전용 원자로의 핵심 소재다. 이 성과는 재료과학의 중요한 전환점이며, 실용적인 핵융합 에너지를 향한 세계적인 경쟁을 앞당길 수 있다.

핵융합로에 초강력 강철이 필요한 이유

핵융합로는 현대 공학의 한계를 시험하는 조건에서 작동한다. 중심부에는 강력한 초전도 자석이 있으며, 이 자석은 지구 자기장의 거의 40만 배에 달하는 최대 20테슬라의 자기장을 만든다. 자석은 플라스마를 태양 중심부보다 더 뜨거운 상태로 가두는 동시에 절대영도에 가까운 온도(최저 -269°C)에서 작동해야 한다. 자석 주변의 구조재는 극심한 저온, 막대한 자기장에 따른 응력, 반복적인 기계적 하중이라는 독특한 조합을 견뎌야 한다.

극한 환경용으로 설계된 소재라 해도 기존 소재는 이런 저온에서 취성이 커지거나 강도가 떨어지는 경우가 많다. 수십 년간 프랑스 국제핵융합실험로(ITER) 같은 핵융합 프로젝트의 표준 소재는 316LN 스테인리스강이었다. 이 소재는 극저온에서도 높은 강도와 연성을 유지하도록 설계됐다. 그러나 핵융합에 대한 야심이 커지면서 소재에 요구되는 성능도 높아졌다. 미래의 원자로에는 더 강한 자기장과 더 견고한 소재가 필요하며, 이를 통해 안전성과 효율성을 모두 확보해야 한다.

CHSN01 개발까지 이어진 10년의 여정

CHSN01의 역사는 과학자들의 끈기와 혁신을 보여준다. 중국 연구자들은 기존 소재로는 차세대 핵융합로의 요구를 충족할 수 없다는 점을 인식하고 10여 년 전부터 개발에 나섰다. 2011년 중국과학원 연구팀은 핵융합로 자석에 적용할 수 있는 최초의 소재 해법을 개발했지만, 미래 원자로에 필요한 성능에는 여전히 미치지 못했다.

물리화학기술연구소의 주요 연구자인 리라이펑은 기존 소재의 한계를 일찍이 간파한 인물 중 한 명이었다. 그는 ITER 자석이 11.8테슬라를 기준으로 설계됐지만, 미래의 원자로는 훨씬 더 강한 자기장을 견뎌야 한다고 지적했다. 또한 ITER 자체는 연구 시설이지 전력 생산을 목적으로 한 설비가 아니었다. 반면 중국은 실제로 가동되는 핵융합 발전소를 건설하려는 목표를 세웠다.

2017년까지 중국 과학자들은 바나듐을 첨가하고 탄소와 질소 함량을 조정하는 등 강철의 조성을 바꿔 강도와 인성을 높이는 성과를 거뒀다. 그러나 이 소재는 핵융합용으로 요구되는 엄격한 성능 기준을 여전히 충족하지 못했다. 많은 해외 전문가들은 316LN보다 성능을 개선하는 것은 거의 불가능하다고 회의적인 반응을 보였다. 한 외국 과학자는 이렇게 말했다.

이런 조건에서 316LN보다 더 나은 소재를 만드는 건 절대 불가능합니다.

전환점은 2020년에 찾아왔다. 극저온 물리학의 권위자이자 중국 최고 과학상을 받은 저명한 물리학자 자오중셴이 프로젝트에 합류했다. 자오의 전문성과 지도력은 중요한 시점에 프로젝트의 추진력을 끌어올리고, 연구팀이 마지막 난관을 넘도록 이끌었다.

새로운 기준 마련

2021년 중국은 핵융합로 소재에 대해 새로운 엄격한 기준을 마련했다. 극저온에서 항복강도 1,500MPa(메가파스칼), 연신율 25% 초과를 요구하는 기준이었다. 이는 기존 소재가 달성할 수 있는 수준을 크게 뛰어넘었다. 핵융합 전문가 리장강은 첨단 강철 개발의 중요성을 강조하며, 이를 핵융합 에너지의 미래를 위한 필수 요소라고 말했다.

같은 해 리라이펑은 연구기관과 기업, 용접 전문가를 한데 모아 새로운 국산 극저온강을 개발하는 국가 연구 연합체의 출범을 이끌었다. 그 결과물이 CHSN01이었다. 이 소재는 곧 가장 까다로운 환경에서 성능을 입증하게 된다.

CHSN01의 차별점은 무엇인가?

CHSN01은 그저 또 하나의 스테인리스강이 아니다. 핵융합로의 특수한 응력 환경에 맞춰 설계된 고강도 저온 합금이다. 개량형 N50 스테인리스강을 바탕으로 개발된 CHSN01은 탄소 함량을 극히 낮추고 니켈 함량을 높였으며 산소 함량은 낮췄다. 이런 조정으로 극저온에서 뛰어난 기계적 특성을 갖추게 됐다.

기계적 시험 결과 CHSN01은 절대영도보다 불과 조금 높은 4.2K에서 1,500MPa가 넘는 항복강도를 내면서도 높은 연성과 피로 저항성을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 강철이 최대 6만 회의 플라스마 펄스에 해당하는 반복 하중을 받아도 균열이 생기거나 구조적 건전성을 잃지 않고 견딜 수 있다는 뜻이다. 주사전자현미경과 에너지 분산형 분광분석 결과, 원소가 균일하게 분포해 소재 전체에서 일관된 성능을 낼 수 있음이 확인됐다.

피로 저항성과 안전성

핵융합로 소재가 해결해야 할 가장 중요한 과제 중 하나는 피로 저항성이다. 플라스마를 가열하는 중앙 솔레노이드(CS) 자석은 교류로 작동하며 반복적인 응력 주기에 노출된다. 강철에 결함이 있으면 시간이 지나며 커져 치명적인 고장으로 이어질 수 있다.

이를 해결하기 위해 연구자들은 첨단 모델링과 실험을 활용해 CHSN01 재킷에서 허용 가능한 최대 결함 크기를 산출했다. 그 결과 초기 결함이 작다면 이 소재가 핵융합로의 운전 조건을 안전하게 견딜 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 신뢰성은 핵융합 발전소의 장기적인 안전성과 효율성에 매우 중요하다.

실험실에서 원자로로: 실제 적용된 CHSN01

2023년 8월 CHSN01은 20테슬라 자기장을 견디고 높은 피로 저항성을 유지하면서 1,300MPa의 응력을 버티는 등 핵심 기준을 모두 충족한 것으로 확인됐다. 이 소재는 곧바로 중국의 BEST(초전도 토카막 획기적 실험) 핵융합로에 투입됐다. 이 원자로는 2023년 5월 조립을 시작했으며 2027년 완공을 목표로 하고 있다.

원자로 조립에 사용되는 6,000톤이 넘는 부품 가운데 도체 재킷 500톤은 국내에서 생산한 CHSN01 강철로 제작된다. 이 재킷은 강력한 자기장을 만드는 초전도 케이블을 감싸 구조적 건전성과 운전 안전성을 확보한다.

CHSN01 개발은 핵융합 에너지 실현을 위한 국제적인 노력의 일환이다. 프랑스의 ITER와 미국의 SPARC 같은 프로젝트도 재료과학과 공학의 한계를 넓히고 있다. 그러나 자체 초강력 강철을 개발하기로 한 중국의 결정은 해외 기술 의존도를 낮추고 세계 핵융합 경쟁에서 선도적 위치를 차지하려는 전략적 움직임을 보여준다.

응용과학에 게재된 동료 심사 연구에 따르면 CHSN01 재킷은 ITER에 사용되는 소재의 성능을 충족하는 데 그치지 않고 이를 뛰어넘는다. 더 큰 결함을 허용하면서도 안전 여유도를 높일 수 있다는 것이다. 이는 중국이 실제 핵융합 발전소 건설에 나서는 데 상당한 이점을 제공한다.

핵융합을 넘어: CHSN01의 미래

CHSN01은 핵융합로용으로 개발됐지만, 독특한 특성 덕분에 다양한 분야에 활용될 가능성이 있다. 높은 강도와 저온 성능, 피로 저항성을 두루 갖춘 이 합금은 항공우주, 극저온 기술, 첨단 제조업 등에 도움이 될 수 있다.

중국 연구자들은 이미 다른 첨단 기술 프로젝트에 CHSN01을 활용하는 방안을 모색하기 시작했으며, 해외 협력기관들의 관심도 커지고 있다. 세계가 더 깨끗하고 지속 가능한 에너지원으로 전환하는 가운데 CHSN01 같은 소재는 새로운 기술을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 할 것이다.

세계 에너지에 미치는 영향

가동 중인 핵융합로에 CHSN01을 성공적으로 투입한 것은 단순한 과학적 이정표를 넘어, 실용적인 핵융합 에너지가 많은 전문가의 예상보다 가까이 다가왔다는 신호다. 핵융합은 온실가스 배출이 없고 방사성 폐기물이 거의 없는 사실상 무한한 청정에너지를 약속한다. 중국의 BEST 원자로가 목표를 달성한다면 세계 각지에 상업용 핵융합 발전소를 건설하는 길을 열 수 있다.

한 해외 언론 매체는 이렇게 전했다.

이 첨단 강철의 투입은 실용적인 핵융합 에너지를 실현하려는 세계적인 경쟁에서 중요한 진전으로 평가된다.

남은 과제와 다음 단계

기대가 커지고 있지만 중대한 과제는 여전히 남아 있다. 핵융합로의 건설과 운영은 매우 복잡한 작업으로, 첨단 소재뿐 아니라 플라스마 물리학과 초전도 기술, 대규모 공학 분야의 돌파구도 필요하다. BEST 원자로는 아직 건설 중이며, 핵융합 발전이 상용화되기까지는 수년간의 시험과 개선이 필요하다.

그럼에도 CHSN01의 개발은 큰 도약을 의미한다. 지속적인 투자와 협력, 과학적 창의성이 뒷받침된다면 아무리 어려운 기술적 장벽도 넘어설 수 있음을 보여준다.

요약

• 중국은 핵융합로 내부의 극한 환경을 견디도록 설계된 획기적인 초강력 강철 CHSN01을 개발했다.
• CHSN01은 극저온에서도 뛰어난 강도와 연성, 피로 저항성을 보이며 316LN 스테인리스강 같은 기존 소재보다 우수한 성능을 낸다.
• 이 소재는 현재 중국의 BEST 핵융합로에 사용되고 있으며, 실용적인 핵융합 에너지를 향한 세계적인 경쟁에서 중요한 이정표가 되고 있다.
• CHSN01의 독특한 특성은 핵융합 이외에도 항공우주와 극저온 기술 등 여러 산업 분야에서 활용될 수 있다.
• 여전히 과제가 남아 있지만 CHSN01의 성공적인 투입으로 깨끗하고 무한한 핵융합 에너지의 꿈이 현실에 한 걸음 더 가까워졌다.