연구원들은 핵융합 에너지를 지원할 수 있는 금속 합금에 대해 보고합니다.

Apr 22, 2024

2023년 1월 24일

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작성자: Sarah Wong, Pacific Northwest National Laboratory

2022년 말, 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 연구원들은 처음으로 핵융합을 통해 순 에너지 증가를 관찰했다고 발표했습니다. 핵융합 에너지를 향한 이 기념비적인 이정표는 탄소 중립 에너지원으로 가정과 기업에 전력을 공급하는 데 있어서 큰 도약을 의미합니다. 그러나 이러한 과학적 성과를 실질적인 동력원으로 전환하려면 융합사회를 현실로 만들기 위한 새로운 기술도 필요합니다.

PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)과 버지니아 폴리테크닉 연구소(Virginia Polytechnic Institute) 및 주립 대학(Virginia Tech)의 과학자들은 재료 연구 노력을 통해 이러한 목표를 달성하는 데 도움을 주고 있습니다. 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 발표된 그들의 최근 연구는 텅스텐 무거운 합금의 사례를 제시하고 조개의 구조를 모방함으로써 첨단 핵융합로에 사용하기 위해 어떻게 개선될 수 있는지를 보여줍니다.

이번 연구 논문의 첫 번째 저자인 Jacob Haag는 “이것은 이렇게 작은 길이 규모에서 이러한 물질 경계면을 관찰한 최초의 연구입니다.”라고 말했습니다. "이를 통해 우리는 재료의 인성과 내구성을 좌우하는 몇 가지 기본 메커니즘을 밝혀냈습니다."

중심부 온도가 화씨 2,700만 도에 달하는 태양은 핵융합을 통해 동력을 얻습니다. 따라서 핵융합 반응이 많은 열을 발생시키는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 과학자들이 핵융합 에너지를 동력원으로 활용하려면 먼저 핵융합 반응에 수반되는 고온 및 조사 조건을 견딜 수 있는 첨단 핵융합로를 만들어야 합니다.

지구상의 모든 원소 중에서 텅스텐은 녹는점이 가장 높은 원소 중 하나입니다. 이는 핵융합로에 사용하기에 특히 매력적인 재료입니다. 그러나 매우 부서지기 쉬울 수도 있습니다. 텅스텐을 니켈이나 철과 같은 소량의 다른 금속과 혼합하면 높은 녹는점을 유지하면서 텅스텐 단독보다 더 강한 합금이 생성됩니다.

이러한 텅스텐 무거운 합금에 특성을 부여하는 것은 단지 그 구성이 아닙니다. 재료의 열역학적 처리는 인장 강도 및 파괴 인성과 같은 특성을 변경할 수 있습니다. 특정 열간 압연 기술은 조개 껍질에 있는 진주층(진주층이라고도 함)의 구조를 모방한 텅스텐 무거운 합금의 미세 구조를 생성합니다. 네이커는 아름다운 무지개 빛깔의 색상과 더불어 놀라운 강도를 나타내는 것으로 알려져 있습니다. PNNL과 버지니아 공대 연구팀은 잠재적인 핵융합 응용 분야를 위해 이러한 진주층을 모방한 텅스텐 무거운 합금을 조사했습니다.

Haag는 "우리는 이러한 재료가 금속 및 합금 분야에서 거의 전례 없는 기계적 특성을 나타내는 이유를 이해하고 싶었습니다."라고 말했습니다.

합금의 미세 구조를 자세히 살펴보기 위해 Haag와 그의 팀은 원자 구조를 관찰하기 위한 주사 투과 전자 현미경과 같은 고급 재료 특성화 기술을 사용했습니다. 그들은 또한 에너지 분산형 X선 분광법과 원자 탐침 단층 촬영법을 결합하여 물질 경계면의 나노 규모 구성을 매핑했습니다.

진주층 구조 내에서 텅스텐 중금속 합금은 거의 순수한 텅스텐의 "경질" 단계와 니켈, 철, 텅스텐의 혼합물을 포함하는 "연성" 단계라는 두 가지 별개의 단계로 구성됩니다. 연구 결과에 따르면 텅스텐 무거운 합금의 높은 강도는 밀접하게 결합된 "경질" 및 "연성" 단계를 포함하여 서로 다른 단계 간의 탁월한 결합에서 비롯됩니다.