STS 고진공 압력 챔버, 방사선 차폐 제공·플라즈마 안정성 지원·원자로 발생 열 제거 등 수행

미래 에너지로 불리는 핵융합 발전소 건설에 STS가 핵심 소재로 사용될 전망이다.

세계철강협회(WSA)에 따르면 유리한 지질학적, 수문학적, 지진 조건과 물 및 전기 접근성으로 선택된 프랑스 프로방스 지역 깊숙한 곳에 국제 핵융합실험로(ITER)를 수용하는 180헥타르 규모의 거대한 시설이 자리잡고 있다.

전통적인 발전소는 화석연료 연소 또는 핵분열로 인한 열을 증기로 변환한 다음 기계적 에너지를 전기로 변환하는 터빈을 회전시키는 데 사용된다. 이 두 방법 모두 신뢰할 수 있는 전력원이지만 배출 또는 방사성 폐기물을 통해 환경에 영향을 미친다.

핵융합을 통해 막대한 양의 에너지를 생산하는 실험인 핵융합발전은 화석연료 발전이나 핵분열 발전과 달리 오염물질을 배출하지 않아 '꿈의 에너지'로 불린다.

태양에 동력을 공급하는 과정과 마찬가지로, 융합은 두 개의 수소 원자가 서로 충돌하여 단일 헬륨 원자로 융합될 때 발생한다. 이는 방사성 핵분열 생성물을 생성하지 않고 엄청난 양의 에너지를 생성한다.

엄청난 양의 에너지가 생성되는 공간에서 반응을 정밀하게 제어해야 하기 때문에 이 프로세스를 생성하는 것은 심각한 엔지니어링 과제를 제시한다.

ITER 시설에서는 강철을 소재로 활용한 세계 최대의 토카막 원자로 건설이 진행 중이다. 1960년대에 개발된 소련 모델을 기반으로 하는 이 실험 기계의 중심에는 STS 소재로 된 토러스 모양의 진공 챔버가 있다.

무게가 5,200톤이고 부피가 1,400입방미터에 달하는 진공 챔버는 동종 제품 중 가장 크므로 이를 작동하는 물리학자들이 실행 가능한 핵융합 발전을 생성하는 데 필요한 반응을 더 쉽게 제어할 수 있다.

ITER의 실험은 핵융합 반응이 포함되고 밀봉되어 주요 안전 격리 장벽 역할을 하는 이 강철로 제작된 진공 용기 내부에서 수행된다. 여기서 수소 연료는 엄청난 열과 압력을 받아 플라즈마라고 알려진 뜨겁고 전기적으로 충전된 가스로 변한다.

이러한 진공 환경은 방사선 차폐를 제공하고 플라즈마 안정성을 지원하는 동시에 이중 강철 벽 사이를 순환하는 냉각수 시스템은 원자로가 작동하는 동안 발생하는 열을 안전하게 제거한다. 융합에는 1억5천만 °C에서 3억 °C 사이의 온도가 필요하기 때문에 이는 매우 중요하다.

내부의 도넛 모양으로 인해 내부의 플라즈마 입자가 벽에 닿지 않고 지속적으로 원을 그리게 된다. 이 초고온 플라즈마는 1만 톤의 초전도 자석에 의해 생성된 자기장에 의해 토카막 원자로에 포함되고 제어된다.

-269°C의 온도에서 유지될 때 기존 자석보다 더 강한 자기장을 생성할 수 있는 ITER는 초전도 가닥을 함께 묶고 구조용 강철 재킷에 포함하는 '고성능 내부 냉각 초전도체'를 사용한다.

자기장을 생성하는 이 수단은 대안보다 저렴하고 에너지 소비도 적기 때문에 핵융합 발전을 지원하는 데 필요한 대규모 자석 시스템에 대한 유일한 실행 가능한 옵션이 된다.

진공 용기와 초전도 자석 시스템은 모두 ITER 저온 유지 장치 내에 포함되어 초저온 진공 공간을 제공한다. 1만6,000입방미터 규모의 이 챔버는 지금까지 제작된 STS 고진공 압력 챔버 중 가장 큰 규모입니다.

반응기에 포함된 극심한 온도 차이로 인해 STS가 이상적인 선택이 된다. 고온 및 저온에서 성능을 유지할 수 있는 STS와 강철의 높은 연성과 인성은 ITER의 대체할 수 없는 부분이다.

세계철강협회는 “토카막은 2025년까지 가동될 것으로 예상되며, 핵융합 물리학자들은 이것이 에너지 생성의 판도를 바꾸는 계기가 되기를 바라고 있다. 거의 무한한 청정 에너지에 대한 전망은 아직 요원하지만, 상업적 융합을 달성하려면 이를 활용할 수 있는 STS와 강철의 지속적인 힘이 있어야 한다는 점은 분명하다”고 강조했다.