중국의 CHSN01 초강력 강철: 차세대 핵융합로에 동력을 불어넣는 획기적 성과

중국의 초강력 강철 개발: 핵융합의 새로운 시대

국제 전문가들이 한때 “절대 불가능하다”고 여겼던 성과를 중국 과학자들이 이뤄냈다. 이들은 핵융합 기술의 가능성을 새롭게 정의하는 혁신적인 강철 합금 CHSN01을 개발했다. 핵융합로 내부의 막대한 자기력과 절대영도에 가까운 온도를 견디도록 설계된 이 초강력 강철은 연구뿐 아니라 상업용 전력 생산을 목표로 하는 원자로인 중국의 연소 플라스마 실험 초전도 토카막(BEST)에 이미 적용되고 있다. 이번 성과가 미칠 영향은 핵융합을 훨씬 넘어 의료 영상, 운송, 우주 탐사 분야의 발전으로 이어질 가능성이 있다.

핵융합로에 초강력 강철이 필요한 이유

태양에 에너지를 공급하는 과정인 핵융합은 사실상 무한한 청정에너지를 약속한다. 핵융합로는 수소 동위원소를 섭씨 1억 도가 넘는 온도에서 융합해 지구에서 이 과정을 재현하는 것을 목표로 한다. 그러나 이런 반응을 가두려면 강력한 초전도 자석이 필요하다. 자석은 영하 269도(절대영도보다 약간 높은 온도)까지 낮은 온도에서 작동하면서 최대 20테슬라의 자기장을 견뎌야 한다. 이는 프랑스에 있는 세계 최대 핵융합 실험로 ITER에서 사용되는 자기장 세기의 거의 두 배다.

난제는 엄청나다. 대부분의 금속은 이처럼 낮은 온도에서 취성이 커지고 연성을 잃으며, 강력한 자기력은 금속을 찢어 놓을 수 있다. 2011년 ITER의 극저온용 강철이 시험 중 취성화되면서 큰 차질을 빚었다. 이는 양 극한 조건을 모두 견딜 소재를 찾으려는 전 세계의 고충을 여실히 보여줬다.

기존 소재의 한계

수십 년간 핵융합 프로젝트에는 316LN과 JK2LB 같은 특수 스테인리스강이 사용됐다. 이 소재들은 극저온에서 우수한 성능을 보이지만, 항복강도 0.9~1.1기가파스칼(GPa), 자기장 약 11.8테슬라에 이르면 한계에 도달한다. 이런 제약 때문에 원자로를 크고 비싸게 설계할 수밖에 없어 핵융합 발전의 실용성과 확장성이 제한된다.

더 작고 효율적이며 상업성 있는 원자로를 만들겠다는 목표를 세운 중국의 설계자들은 균열 없이 훨씬 더 큰 응력을 견딜 소재가 필요하다는 사실을 깨달았다. 이 판단을 계기로 12년간 재료과학 분야의 개발 작업이 이어졌고, 그 결과 CHSN01이 탄생했다.

CHSN01 개발의 핵심: 과학과 공학

중국 고강도 저온강 1호를 뜻하는 CHSN01은 치밀한 공학 설계와 재료과학 연구의 산물이다. 합금 개발은 질소를 첨가해 강화한 오스테나이트계 강철인 니트로닉-50을 기본 소재로 삼아 시작됐다. 이후 엔지니어들은 다음과 같은 핵심 조정을 했다.

• 초저탄소 함량: 4K(영하 269도)에서 수년간 사용되는 동안 취성 탄화물이 형성되지 않도록 탄소 함량을 0.01퍼센트 미만으로 낮췄다.
• 질소와 니켈 함량 증가: 질소 함량을 약 0.30퍼센트로 높이고 니켈 함량도 소폭 늘려 극저온에서도 강철의 강도와 연성을 유지하도록 했다.
• 바나듐 첨가: 소량의 바나듐을 넣어 전위의 이동을 억제하는 질화바나듐 입자를 형성함으로써 인성을 유지하면서 강도를 높였다.
• 엄격한 불순물 관리: 균열의 발단이 되는 개재물을 제거하기 위해 산소, 인, 황 함량을 모두 0.02퍼센트 미만으로 유지했다.

이처럼 세심하지만 중요한 조정을 거친 강철은 4.2K에서 약 1.5GPa의 항복응력을 견디며 파단 전까지 30퍼센트 넘게 늘어난다. ITER에 사용되는 316LN 재킷보다 강도는 약 40퍼센트 높으면서도 균열에 대한 저항성은 그에 못지않다.

피로 저항성과 수명

핵융합로는 정지된 기계가 아니다. 원자로의 자석은 작동 수명 동안 수만 차례 켜지고 꺼지기를 반복한다. CHSN01은 극저온에서 엄격한 피로 시험을 거쳤다. 초기 결함이 있어도 안정적으로 작동할 수 있다는 결과가 나왔고, 비파괴검사를 위한 명확한 기준도 마련됐다. 유한요소 모델과 파리 법칙에 따른 피로 균열 성장 분석에 따르면 CHSN01 재킷은 최대 6mm² 크기의 결함이 있는 상태로도 사용을 시작할 수 있다. 이는 최신 검사 기술의 결함 검출 한계를 훨씬 웃도는 크기이며, BEST 원자로의 예상 수명인 플라스마 펄스 6만 회도 견딜 수 있다.

이 내구성 덕분에 제작 업체는 도체를 과도하게 연마하거나 필요 이상으로 크게 만들지 않아도 돼 무게와 비용, 조립 시간을 줄일 수 있다. 또한 더 강한 자기장을 구현할 수 있어 원자로를 더욱 작고 효율적으로 설계할 수 있다.

회의에서 성공으로: CHSN01 개발에 얽힌 이야기

CHSN01 개발 과정에는 난관과 회의론이 뒤따랐다. 중국 연구자들이 초기 연구 결과를 국제 학회에서 처음 발표했을 때, 외국 전문가 다수는 기존 316LN 강철이 이미 가능한 성능의 한계에 도달했다며 새 합금이 필요하다는 주장에 의문을 제기했다. 진전은 더뎠지만, 2020년 중국 최고 과학상을 수상한 저온물리학 분야의 저명한 전문가 자오중셴이 프로젝트에 합류하면서 상황이 달라졌다. 그의 리더십과 비전은 연구팀의 접근 방식을 재정립하는 데 도움을 줬고, 합금 조성과 충족해야 할 기준 모두에서 돌파구를 마련하는 계기가 됐다.

2021년 중국은 극저온에서 항복강도 1,500MPa, 연신율 25퍼센트 초과라는 자체 목표를 세웠다. 2년 뒤 CHSN01이 이 기준을 충족하는 것으로 확인됐다. 시험 결과 20테슬라의 자기장과 1,300MPa의 응력을 파손 없이 견딜 수 있는 것으로 나타났다. 2023년 5월까지 BEST 원자로의 도체 재킷에만 CHSN01이 500톤 넘게 설치됐다.

전문가들의 평가

중국과학원 연구자 리라이펑은 이번 성과의 중요성을 다음과 같이 강조했다.

차세대 극저온용 강철 개발은 중국의 소형 핵융합 에너지 실험 장치가 성공하는 데 필수적입니다. CHSN01은 단순한 실험실의 호기심거리가 아니라 산업 현장에 투입될 준비가 된 소재입니다.

핵융합 전문가 리장강도 첨단 강철 개발이 핵융합 발전의 미래에 “필수적”이라는 데 뜻을 같이했다.

CHSN01이 바꾸는 핵융합로 설계

CHSN01이 핵융합로 설계에 미치는 영향은 크다. 뛰어난 강도와 인성을 갖춘 CHSN01은 다음과 같은 이점을 제공한다.

• 더 강한 자기장: 최대 20테슬라의 자기장을 구현해 플라스마 가둠 압력을 높이고, 더 작고 모듈화된 원자로를 설계할 수 있다.
• 더 긴 운전 수명: 피로 저항성 덕분에 강철이 수십 년간 핵융합 자석의 반복적인 펄스 작동을 견딜 수 있다.
• 무게와 비용 절감: 재킷의 강도가 높아지면 필요한 소재가 줄어 건설을 간소화하고 비용을 낮출 수 있다.
• 안전성과 신뢰성 향상: 파국적 파손 위험 없이 더 큰 초기 결함을 견딜 수 있어 제조와 검사가 간소해진다.

이러한 발전은 미래의 핵융합로를 더 작고 저렴하며 효율적으로 만들어 핵융합 발전의 실용화를 앞당기는 핵심 요인이 될 수 있다.

BEST와 ITER: 새로운 기준

프랑스의 ITER가 세계 최대 핵융합 실험로인 반면, 연구만을 목적으로 설계돼 전력을 생산하지는 않는다. 이에 비해 중국의 BEST 원자로는 상업용 전력 생산을 염두에 두고 건설되고 있다. 따라서 사용되는 소재에는 더 큰 요구 조건이 부과된다. 소재가 더 오래가고 더 까다로운 조건에서 성능을 발휘해야 하기 때문이다. CHSN01이 이 요건을 충족하면서 전 세계 핵융합 소재의 새로운 기준을 세웠다.

핵융합을 넘어: 폭넓은 활용과 세계적 파급효과

CHSN01의 중요성은 핵융합로에 그치지 않는다. 극저온에서 강도와 연성, 피로 저항성을 동시에 갖춘 이 소재는 다양한 첨단 기술 분야에서 활용 가능성이 높다.

• MRI 장비: 더 강하고 신뢰성 높은 초전도 자석 재킷을 사용하면 자석의 크기와 유지보수 수요를 줄일 수 있다.
• 입자가속기: 극한 환경에서 내구성과 성능을 높일 수 있다.
• 자기부상열차: 고속 운송의 안전성과 효율성을 개선할 수 있다.
• 양자컴퓨팅 냉각: 절대영도에 가까운 온도에서 작동하는 희석냉동기에 더 튼튼한 소재를 사용할 수 있다.
• 심우주 탐사: 우주에서 가장 혹독한 환경을 견딜 부품을 만들 수 있다.

중국은 CHSN01을 자국에서 생산할 수 있어 고급 강철의 수입 의존도도 낮출 수 있다. 이는 첨단 기술 분야에서 중국에 전략적 우위를 제공한다.

세계의 반응과 핵융합 소재 경쟁

CHSN01의 공개는 전 세계적인 반응을 불러일으켰다. 각국 핵융합 과학자들은 자국의 소재 전략을 재검토하고 있으며, 일부는 금속공학과 재료과학에 대한 투자를 다시 늘려야 한다고 주장한다. 한 핵융합 엔지니어는 다음과 같이 말했다.

핵융합은 기록적인 플라스마 실험이나 이색적인 원자로 개념으로 자주 주목받습니다. 그러나 역사는 대규모 에너지 기술의 성패가 재료과학에 달려 있음을 보여줍니다. 인성을 희생하지 않으면서 극저온 스테인리스강을 1.5GPa급으로 끌어올려, 중국 연구자들은 고자기장 자석에 부족했던 핵심 구조 소재를 제공했습니다.

BEST 원자로가 2027년 첫 플라스마 발생과 40~200MW의 출력 달성을 목표로 하는 가운데 세계가 이를 주목하고 있다. 성공한다면 CHSN01은 핵융합로 건설의 새로운 세계 표준이 될 수 있으며, 극저온과 응력이 결합된 문제에 직면한 다른 산업에도 활용될 수 있다.

요약

• 중국의 CHSN01 초강력 강철은 핵융합로 내부의 극한 저온과 자기력을 견디도록 설계된 획기적인 합금이다.
• CHSN01은 극저온에서 최대 20테슬라의 자기장, 1,500MPa의 항복강도, 뛰어난 피로 저항성을 구현한다.
• 상업용 전력 생산을 목표로 하는 중국의 BEST 핵융합로에 이미 사용되고 있으며, 원자로는 2027년 완공을 목표로 한다.
• CHSN01 개발은 국제사회의 회의론을 극복하고 전 세계 핵융합 소재의 새로운 기준을 세웠다.
• 핵융합 외에도 MRI 장비, 입자가속기, 자기부상열차, 우주 탐사 분야에 활용될 가능성이 있다.
• 이번 성과는 재료과학 분야의 세계적 경쟁을 촉발했으며, 청정에너지와 첨단 기술의 미래에도 영향을 미칠 전망이다.