1. 핵융합 재료 연구
(1) 핵융합 재료 연구의 개요
가벼운 원자들의 핵이 충돌하여 더 무거운 원자들로 융합되는 과정을 핵융합 반응이라고 하며, 이 과정에서 막대한 양의 에너지가 발생합니다. 핵융합 발전에 활용하고자 하는 핵융합반응은 중수소(deuterium)-삼중수소(tritium)의 융합입니다. 이는 태양이 빛과 열을 내는 원리와 같습니다. 하지만, 핵융합반응은 반응을 일으키기위한 조건에 도달하기는 매우 어렵지만,핵분열과 같은 연쇄반응이 없으므로 훨씬 안정된 방식으로 에너지 추출이 가능한 장점이 있습니다.
태양의 중력은 지구의 28배 만큼 크고 중심부의 온도가 천오백만도에 이르므로, 플라즈마 상태의 수소 원자들이 전기적 반발력을 이겨내고 서로 융합하여 헬륨을 형성하기에 적합한 환경입니다. 지구는 그만큼의 중력을 가지지 못하므로 핵융합반응을 일으키기 위해 온도를 태양의 10배인 1억5천도 정도로 올려야 합니다. 하지만, 1억5천도의 초고온의 플라즈마를 가둘 수 있는 재료가 지구 상에 존재하지 않습니다. 그래서 토카막(tokamak)이라는 도넛 형태의 자기장 생성장치를 작동시켜 자기장에 의한 비접촉방식으로 플라즈마를 가둡니다.
핵융합 과정에서 고열과 고에너지 중성자가 발생하므로, 토카막을 보호하기 위한 장치가 필요한데 이것을 디버터(divertor) 라고 부릅니다. 디버터를 구성하는 재료는 텅스텐 합금인데, 다른 재료들보다 녹는점이 높고, 중성자를 다른 재료 보다 더 많이 견딜 수 있어서 선택이 되었습니다. 그럼에도 불구하고, 오랜 시간 운용을 하다보면 결함이 필연적으로 생깁니다. 결함 생성에서 끝이 아니라 재료의 기계적 성질을 변화시켜 디버터의 사용을 어렵게 합니다.
(2) 핵융합 재료 연구의 목표와 방법
핵융합로의 재료에 대한 직접 실험은 어렵습니다. 고온과 중성자가 조사된 재료를 구하기 어려울 뿐더러, 외부에 노출시키는 것 자체가 위험하기 때문입니다. 강건욱 교수님 연구실에서는 원자 스케일 전산모사를 이용하여 핵융합로 디버터의 플라즈마 대면 소재로 대두되고 있는 텅스텐의 중성자 조사 손상 예측을 수행하고자 하였습니다. 부연하면, 텅스텐 순물질과 합금의 국소 구조와 미세조직 등의 물성이 고온 노출 및 조사 환경에서 어떻게 변화하는지 예측/평가하여, 고온 중성자 환경에서 재료 물성 향상 방향을 제시하고자 하였습니다.
(3) 분자동역학 전산모사를 통한 재료 내 결함생성 예측과 물성의 영향 평가
분자동역학 전산모사 기법은 원자들의 상호작용을 통해 재료 내에 발생하는 문제들을 발견하고 이에 대한 기작을 설명하는데 탁월한 기술입니다. 본 연구실에서는기존의 텅스텐 재료의 표면과 내부에서 결함 생성 기작을 설명할 수 있는 분자동역학 전산모사를 수행하였으며, 그 결과로 실험에서만 관찰되던 현상들을 볼 수 있었습니다. 기존 연구는 단결정(single crystal) 구조에서 수행되어, 연구를 확장하고자 다결정(polycrystal) 구조에 대한 대규모 전산모사 연구를 수행하고 있습니다.
