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인공태양☀️에서 가장 뜨거운🔥 온도를 견디는 곳은 어딜까?

인공태양의 뜨거운 열기를 오랫동안 유지하기 위해서는 시스템 내부를 깨끗하게 관리하는 필터가 반드시 필요합니다. 핵융합 반응 과정에서 발생하는 불순물을 제거하는 이 장치는 ‘디버터’라고 불리며, 인공태양의 화장실이라는 별명을 가지고 있습니다. 디버터는 핵융합 실험 장치 내부에서 플라즈마와 직접적으로 대면하는 가장 중요한 컴포넌트 중 하나입니다. 극한의 열과 강한 입자 에너지를 온몸으로 받아내며 장치 전체의 안정성을 지탱하는 역할을 수행하며, 인공태양의 심장을 지키는 최전방 방어선이라고 할 수 있습니다. 디버터는 크게 세 가지 핵심 임무를 수행합니다. 첫째는 시스템 내부의 오염 물질을 관리하여 핵융합 반응의 연료인 중수소와 삼중수소가 최적의 상태를 유지하도록 돕는 것입니다. 둘째는 강력한 자기장에 의해 유도된 엄청난 열에너지를 효과적으로 냉각하여 장치를 보호하는 일입니다. 마지막으로 상용화 단계에서 발생하는 중성자로부터 주변의 진공 용기나 초전도 자석이 손상되지 않도록 방패 역할을 수행합니다. 이러한 기능들은 핵융합 반응의 효율을 높이고 장비의 수명을 연장하는 데 필수적인 요소입니다. 우리나라의 핵융합 실험 장치인 KSTAR에는 총 64개의 디버터 모듈이 설치되어 운용됩니다. 각 모듈은 이너 및 아우터 버티컬 타겟, 센트럴 돔, 그리고 이를 견고하게 지지하는 카세트 바디로 구성되어 있습니다. 특히 타겟 부분은 단위 면적당 10~20MW/m² 수준의 극심한 열이 집중되는 구간입니다. 이를 견디기 위해 약 30만 개의 텅스텐 모노블록이 표면을 촘촘하게 감싸고 있습니다. 정교한 설계를 통해 플라즈마 에너지를 효율적으로 분산하고 처리함으로써 핵융합 실험의 연속성을 보장하게 됩니다. 극한의 환경을 견디기 위한 소재 연구는 디버터 기술의 핵심입니다. 과거에는 카본 타일을 주로 사용했으나, 가열 장치의 성능 향상으로 플라즈마 출력이 높아짐에 따라 더 강력한 내열성을 가진 텅스텐 소재로의 업그레이드가 이루어졌습니다. 디버터가 받는 열속은 우주왕복선이 대기권에 재진입할 때 겪는 수준에 육박할 만큼 강력합니다. 우주왕복선은 단 몇 분만 견디면 되지만, 핵융합 실증로의 디버터는 장시간 운전 중에도 변형 없이 그 성능을 유지해야 한다는 점에서 소재 공학적으로 매우 높은 기술적 완성도를 요구합니다. 현재 전 세계 연구진은 미래의 핵융합 실증로에서 예상되는 20~30MW/m² 이상의 초고열속을 처리하기 위한 공학적 해결책을 모색하고 있습니다. 한국은 텅스텐 디버터를 선제적으로 적용함으로써 국제핵융합실험로인 ITER보다 앞서 실제 운전 특성을 확인할 수 있는 귀중한 발판을 마련했습니다. 이러한 도전적인 연구와 기술 축적은 핵융합 에너지 상용화라는 난제를 해결하는 결정적인 열쇠가 될 것입니다. 인공태양의 최전방에서 에너지를 통제하는 디버터 기술은 인류의 미래 에너지 자립을 앞당기는 원동력이 될 것으로 기대됩니다.

한국핵융합에너지연구원

물리학
공학·기술

[2021 KIGAM Tech-Biz 파트너링] 텅스텐 카바이드 스크랩의 파쇄 방법, 산화구리의 회수방법 및 텅스텐과 코발트의 회수방법

텅스텐은 주요 산업 전반에서 필수적으로 사용되는 희유금속으로, 최근 수요 증가와 원광 품위 하락으로 인해 재활용 기술의 중요성이 그 어느 때보다 강조되고 있습니다. 현재 텅스텐 공급의 약 34%는 스크랩을 통한 2차 자원에서 얻어지고 있는데, 원광 처리 비용이 상승함에 따라 이러한 순환 자원의 가치는 더욱 높아지는 추세입니다. 특히 공구용 인서트나 내마모 부품으로 사용되는 하드 스크랩은 재활용이 까다롭지만, 고부가가치 자원 확보를 위해 반드시 해결해야 할 과제로 꼽힙니다. 하드 스크랩은 소프트 스크랩에 비해 부피가 크고 단단하여 미세하게 분쇄하는 과정에서 막대한 에너지와 고가의 설비가 소요됩니다. 기존의 상업적 방식인 아연법은 고온 진공 환경에서 조업이 이루어져 공정이 까다롭고 에너지 소비가 큽니다. 또한 기존의 알루미늄 플럭스법 역시 별도의 산화 공정을 추가로 거쳐야 하는 번거로움이 있어, 산업계에서는 보다 경제적이고 효율적인 하드 스크랩 처리 기술의 등장을 오랫동안 기다려 왔습니다. 이번에 개발된 산화구리 플럭스 배소법은 1,100도 내외의 대기 조건에서 가열하여 하드 스크랩을 산화물 형태로 변환시키는 혁신적인 방식입니다. 진공 설비가 필요 없어 초기 투자비와 유지비가 저렴하며, 공정 시간이 1시간 이내로 짧아 생산성이 매우 높습니다. 무엇보다 배소 후 생성된 구리를 다시 산화시켜 공정에 재투입할 수 있는 순환형 모델을 구축함으로써 자원 소모를 최소화하고 경제성을 극대화했다는 점이 가장 큰 특징입니다. 이 기술은 기존 아연법이나 알루미늄 플럭스법과 비교했을 때 공정 난이도가 낮으면서도 고품질의 금속 산화물을 얻을 수 있다는 특장점이 있습니다. 산화구리 플럭스 배소법을 활용하면 텅스텐 카바이드 코발트와 같은 강한 기계적 특성을 지닌 소재도 효율적으로 산화 및 미분화가 가능합니다. 또한 폐수 처리가 수반되기는 하지만, 유가 금속을 분리 회수함으로써 자원 회수 효율을 극대화할 수 있습니다. 이는 복잡한 공정 단계를 획기적으로 줄이는 결과로 이어집니다. 현재 전 세계 텅스텐 공급의 80% 이상을 중국이 차지하고 있으며, 자원 독점화와 가격 급등으로 인해 안정적인 공급망 확보가 시급한 실정입니다. 우리나라는 하드 스크랩 재활용 기술의 부족으로 상당량의 자원을 해외로 수출하고 있지만, 이번에 개발된 신기술이 상용화되면 국내에서도 고부가가치 텅스텐 자원을 직접 확보할 수 있게 됩니다. 이는 초경합금을 비롯해 합금강, 초합금 등 텅스텐이 사용되는 다양한 산업군에 긍정적인 파급 효과를 미치며 국가 전략 자립도를 높일 것입니다.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

화학
공학·기술

인공태양을 견딜 수 있는 세상에서 가장 강한재료는 무엇일까? 혹시 비브라늄?

자연계에서 가장 뜨겁다고 여겨지는 화산 마그마는 1,200도, 강철을 녹이는 용광로는 1,500도 수준에 달합니다. 하지만 태양의 핵융합 반응을 지구에서 구현하기 위해 필요한 온도는 이보다 훨씬 높은 약 1억 도에 이릅니다. 이처럼 상상을 초월하는 초고온을 견딜 수 있는 물질은 지구상에 존재하지 않기에, 인공태양 장치는 강력한 자기장을 이용해 플라즈마를 공중에 띄우는 방식을 사용합니다. 플라즈마가 직접 닿지 않더라도 장치 내벽은 1,000도 이상의 극심한 열과 충격을 견뎌야 하므로, 이를 방어할 최적의 재료를 찾는 것이 핵융합 기술의 핵심 과제 중 하나입니다. 핵융합로 내부에서 열에 가장 많이 노출되는 부위는 '디버터'라는 장치입니다. 초기에는 녹는점이 약 4,642도에 달하는 탄소가 유력한 후보로 꼽혔으나, 실제 운용 과정에서 한계가 드러났습니다. 탄소 타일은 플라즈마 입자와의 반복적인 충돌로 인해 표면이 깎여 나가는 침식 현상이 발생하며, 여기서 떨어져 나온 입자가 중수소와 결합해 메테인과 같은 불순물을 생성합니다. 이러한 불순물은 핵융합 반응에 쓰여야 할 연료를 소모할 뿐만 아니라 플라즈마의 성능을 저하시키는 악순환을 초래하기에, 고온과 입자 충돌을 동시에 견딜 수 있는 더 견고한 대안이 필요해졌습니다. 탄소의 한계를 극복할 대안으로 부상한 원소가 바로 텅스텐입니다. 핵융합로 내벽재는 높은 녹는점은 물론, 입자 충돌을 견드는 단단함과 낮은 방사화 등 까다로운 조건을 모두 만족해야 합니다. 크롬이나 몰리브덴 같은 여러 내열 금속 중에서도 중성자에 의한 손상이 적고 뛰어난 침식 저항성을 지닌 원소는 텅스텐이 유일합니다. 비록 탄소보다 녹는점은 낮지만, 강력한 플라즈마 입자 폭격 속에서도 본래의 형태를 유지하는 능력이 탁월하여 우리나라의 KSTAR를 비롯해 국제핵융합실험로(ITER) 등 전 세계 주요 핵융합 장치의 핵심 재료로 선택받고 있습니다. 텅스텐은 금속 원소 중 가장 높은 녹는점과 뛰어난 인장 강도를 자랑합니다. 초고온에서도 열팽창이 거의 없고 구조적 안정성이 뛰어나 전구의 필라멘트부터 로켓 엔진 노즐, 방사선 차폐재에 이르기까지 극한 환경이 요구되는 다양한 산업 분야에서 활약하고 있습니다. 특히 다른 금속과 결합했을 때 강철을 능가하는 강도를 지니게 되며, 높은 밀도 덕분에 군사용 전략 원소로 분류될 만큼 가치가 높습니다. 이러한 물리적 특성은 1억 도의 플라즈마를 가두는 인공태양의 방패로서 더할 나위 없는 자격 요건이 되며, 현재 전 세계 핵융합 연구의 중심 소재가 되었습니다. 텅스텐을 실제 장치에 적용하는 과정에는 고도의 가공 기술이 요구됩니다. KSTAR의 디버터는 열에 강한 텅스텐과 냉각 효율이 좋은 구리를 결합한 구조로 설계되는데, 두 재료는 성질과 열팽창률이 크게 달라 이를 접합하는 공정이 매우 까다롭습니다. 한국핵융합에너지연구원은 이러한 난제를 해결하기 위해 자체적인 접합 기술을 개발하였으며, 2021년부터 KSTAR의 내벽을 텅스텐으로 교체하는 대대적인 작업을 진행해 왔습니다. 스스로의 한계를 넘어서는 이러한 기술적 도전은 인공태양을 통한 무한한 에너지원 확보라는 인류의 꿈을 실현하는 소중한 밑거름이 될 것입니다.

한국핵융합에너지연구원[친절한 핵융합] 연구원이 들려주는 핵융합 이야기

물리학
공학·기술

[2020 한국지질자원연구원 Geo Tech Biz Partnering] 서용재 박사 기술소개

희유금속은 흔히 '산업의 비타민'이라 불리며, 아주 적은 양으로도 소재의 품질과 성능을 획기적으로 개선하는 역할을 수행합니다. 현대 산업에서 그 수요는 날로 급증하고 있지만, 매장량이 한정적이고 특정 지역에 편중되어 있어 국가 간의 자원 확보 경쟁이 매우 치열하게 전개되고 있습니다. 특히 중국과 같은 자원 대국이 관련 자원을 독점하려는 시도를 이어가는 상황에서, 우리나라와 같이 자원이 부족한 국가들은 고도화된 소재 기술력을 바탕으로 폐광석 재자원화나 대체재 개발을 통해 국가 경쟁력을 강화하는 데 총력을 기울이고 있습니다. 텅스텐은 각종 특수강, 절삭 공구, 정밀 기계 및 촉매 등 다방면에서 활용되는 필수 금속입니다. 유럽 연합을 비롯한 전 세계 주요 산업국들은 일찍이 이를 전략적 원자재로 지정하여 엄격하게 관리해 왔으며, 최근 자원 고갈에 대한 우려와 가격 변동성 확대로 인해 재자원화의 중요성이 그 어느 때보다 높게 평가받고 있습니다. 통계적으로도 세계 시장 내 텅스텐 스크랩의 공급 비중은 꾸준히 상승하는 추세이며, 앞으로 기술 발전에 따른 스크랩 재자원화율은 더욱 높아져 첨단 산업 분야의 안정적인 원료 공급원 역할을 수행할 것으로 기대됩니다. 텅스텐 카바이드와 같은 하드 스크랩은 강도와 인성이 매우 뛰어나기 때문에 이를 재자원화하기 위해서는 효과적인 분말화 과정이 필수적입니다. 현재 상용화된 대표적인 기술로는 진공 상태에서 고온으로 가열하는 아연법이 있으며, 지난 2010년에 개발된 알루미늄 플럭스 합금법 또한 존재합니다. 하지만 전 세계 공구용 텅스텐 시장의 80~90% 이상을 차지하는 하드 스크랩을 보다 경제적이고 효율적으로 처리하기 위해서는 기존 공정의 한계를 뛰어넘어 대량의 스크랩을 미세 분말로 쪼개는 새로운 차원의 분말화 기술이 요구되고 있습니다. 이번에 새롭게 제시된 산화구리 플럭스법은 공기 중에서 직접 가열하여 복합 산화물을 생성하는 혁신적인 공정입니다. 기존의 진공 설비가 필요하지 않아 에너지 효율이 매우 높으며, 1,200℃ 이하의 상압 환경에서 조업이 가능해 공정의 난이도가 낮고 경제적이라는 장점이 있습니다. 이 기술을 통해 얻은 100μm 수준의 텅스텐 금속 산화물 분말은 회수율이 우수할 뿐만 아니라, 공구용 합금이나 초합금 등 다양한 분야로 확장 적용이 가능하여 재자원화 기술의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받고 있습니다. 전 세계적으로 텅스텐 재자원화에 관한 특허 경쟁은 중국과 미국을 필두로 일본과 한국이 뒤를 잇는 양상을 보입니다. 한국지질자원연구원은 초경합금 제조 및 재자원화 분야에서 다수의 핵심 특허를 보유하며 글로벌 기술 우위를 점하고 있습니다. 이러한 재자원화 기술은 단순히 자원을 회수하는 것을 넘어, 자원 안보를 강화하고 환경 오염을 최소화하여 인류의 더 나은 미래를 실현하는 핵심 솔루션이 됩니다. 연구원의 끊임없는 기술 혁신은 사회적 이슈를 해결하고 풍요로운 내일을 만드는 밑거름이 될 것이며, 지속 가능한 성장을 이끄는 리더 역할을 지속할 것입니다.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

지구환경과학
공학·기술

[2020 한국지질자원연구원 Geo Tech Biz Partnering] 서용재 박사 발표

텅스텐은 주요 선진국에서 임계 금속으로 지정된 중요한 전략 자원입니다. 현재 텅스텐 자원은 천연 광석에서 얻는 1차 자원과 스크랩을 통한 2차 자원으로 공급되고 있습니다. 최근 텅스텐 사용량이 지속적으로 증가함에 따라 원광의 품위가 하락하고 처리 비용이 상승하고 있어, 2차 자원인 텅스텐 스크랩의 가치는 더욱 높아지고 있습니다. 특히 제품 생산 과정이나 사용 후에 발생하는 스크랩을 효율적으로 재활용하는 기술은 자원의 수급 안정성과 경제성을 확보하는 데 있어 매우 중요한 과제라고 할 수 있습니다. 텅스텐 카바이드 재활용 기술은 크게 두 가지로 분류됩니다. 스크랩에서 직접 분말을 회수하는 아연법과 유용 금속을 화학적으로 분리 회수하는 기술이 그것입니다. 그중에서도 공구용 인서트나 툴팁 등에 사용되는 하드 스크랩은 부피가 크고 단단하여 소프트 스크랩에 비해 재활용 난이도가 매우 높습니다. 이를 효과적으로 처리하기 위해서는 고체 상태의 스크랩을 미세한 분말 형태로 파쇄하는 공정이 필수적이며, 이를 통해 유용 금속의 회수 효율을 극대화하고 고부가가치의 소재로 재생산할 수 있는 기초를 마련하게 됩니다. 한국지질자원연구원에서 새롭게 선보인 기술은 기존의 공정을 획기적으로 단축한 혁신적인 접근법을 제시합니다. 이 공정은 하드 스크랩에 특정 분말을 첨가하여 대기압 조건에서 가열하는 방식을 취하고 있으며, 이를 통해 복잡한 설비 없이도 효율적인 자원 회수가 가능하게 설계되었습니다. 가열 온도와 시간을 최적화함으로써 조업의 편의성을 극대화한 것이 특징이며, 별도의 진공 설비나 초고온 가열로가 필요하지 않아 환경 친화적이고 경제적인 공정으로서의 가치를 증명하고 있습니다. 이는 국내 금속 가공 산업의 원가 경쟁력을 높이는 데 기여할 것입니다. 기존의 아연법은 고온 진공 상태에서의 작업으로 인해 에너지 소모가 크고 공정이 까다로운 단점이 있었습니다. 반면 산화구리 플럭스 배소법은 생성된 금속 산화물을 가볍게 분쇄하는 것만으로도 100마이크로미터 이하의 미세 분말을 얻을 수 있게 해줍니다. 이는 기존의 알루미늄 플럭스법이 별도의 고온 산화 공정을 추가로 거쳐야 했던 번거로움을 획기적으로 개선한 것입니다. 짧은 공정 시간 내에 고품질의 금속 산화물을 얻을 수 있고, 코발트와 같은 유용 금속을 높은 순도로 분리할 수 있어 산업적 활용 가치가 매우 높을 것으로 기대됩니다. 현재 전 세계 텅스텐 공급의 80% 이상을 중국이 차지하고 있으며, 자원 무기화와 수출 규제로 인해 자원 확보 경쟁이 매우 치열한 상황입니다. 우리나라는 하드 스크랩을 처리할 전문 기술과 기업이 부족하여 수입한 스크랩을 다시 해외로 수출하는 구조를 보이고 있습니다. 따라서 이번 신기술의 보급은 전략 금속인 텅스텐의 국내 자립도를 높이고 폐자원 선순환 체계를 구축하는 데 큰 기여를 할 것입니다. 이는 단순한 재활용을 넘어 국내 금속 소재 산업 전반의 경쟁력을 강화하고 자원 안보를 공고히 하는 중요한 기반이 될 것입니다.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

화학
공학·기술