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.
