핵융합 반응에서 발생하는 중성자를 흡수하고 열을 회수하며 삼중수소 연료를 생성하는 원자로 내부 구성 요소인 블랭킷 개발은 핵융합 에너지 실현을 위한 핵심 기술 과제 중 하나이다. 저방사화 페라이트-마르텐사이트(RAFM) 강을 비롯한 여러 후보 물질이 현재 연구 개발 중인 가운데 고온 블랭킷 설계를 추구하는 민간 핵융합 개발업체들은 저방사화 바나듐 합금에 다시 주목하고 있다.
바나듐은 약 700°C까지 강도를 유지하고 세 가지 후보 물질 중 유일하게 비자성체이면서 연성이 뛰어나다. 그뿐 아니라 액체 리튬과의 화학적 호환성이 우수하고 FLiBe(불화리튬과 불화베릴륨의 용융염)와의 호환성 또한 매력적인 요소이다.
이에 따라 교토퓨전니어링(KF)은 다이도제강과 함께 핵융합 블랭킷용 후보 구조재료 세 가지 중 하나인 저방사화 바나듐 합금의 상용 생산 기술 개발을 위한 공동 프로그램에 착수했다.
이 프로그램에 따라 양사는 고순도 바나듐 200kg을 용융 및 단조하여 원형 봉과 판 형태로 제작했으며, 현재 이러한 소재 생산에 필요한 제조 및 가공 기술을 공동으로 평가하고 있다. 향후 양사는 블랭킷 모형 제작을 추진하여 이 소재를 핵융합로용 블랭킷 구조재료로 실용화하는 것을 목표로 한다.
한편 미국 에너지부의 핵융합 과학 기술 로드맵은 핵융합에 사용하기 위해 개발 및 검증되어야 하는 구조 재료 중 하나로 바나듐 합금을 명시하고 있다. 미국 핵융합 재료 커뮤니티 로드맵은 바나듐 기반 합금을 RAFM 강보다 고성능이지만 위험도 높은 구조 재료로 분류한다. 두 로드맵 모두 동일한 제약 조건을 지적하는데 그것은 바로 대량의 바나듐 합금 생산을 위한 공급망 인프라가 부족하다는 것이다. 지금까지 바나듐 합금에 대한 상업적 수요가 거의 없었기 때문.
한편, 핵융합 응용 분야에 필요한 극히 낮은 불순물 함량의 고순도 바나듐 합금을 용융 및 단조하는 데에는 첨단 제조 기술이 요구되지만, 생산 실적은 매우 미미한 편이다. 1990년대와 2000년대 초 미국과 일본에서 약 200~1,200kg 규모의 소량 생산이 이루어졌지만 거의 전적으로 국가 연구 프로그램에 따른 것이었다.
미미한 생산으로 인해 상업적 공급이 이뤄지지 않은 이 물질의 로드맵은 산업적 타당성 검증을 위해 여러 차례의 생산을 통해 500kg에서 1톤에 이르는 생산량을 목표로 하고 있다. 이 분야에서 세계적으로 인정받는 선도적인 연구자이자 국립핵융합연구소(NIFS)의 나가사카 타쿠야 교수는 오랜 기간 연구 개발을 주도해 왔는데 KF는 그의 연구팀과의 공동 연구를 통해 핵융합 발전소용 소재에 필요한 규격 및 평가 방법에 대한 전문성을 축적해 왔다. KF는 첨단 금속 소재 제조 기술을 보유한 다이도제강과의 협력을 통해 고순도 바나듐 합금 생산을 국가 연구 프로그램 차원의 생산에서 벗어나 상업용 특수강 공급망으로 전환하기 시작했다.
이번 공동 개발 프로그램에서 다이도제철은 특수강 및 다양한 합금의 개발과 제조를 통해 축적해 온 기술력을 기반으로 바나듐 합금의 실용화에 필요한 제조 기술을 확립하게 된다. KF의 핵융합 발전소 설계 및 소재 규격 전문성과 결합하여, 양사는 핵융합 응용 분야에 사용되는 저방사화 바나듐 합금 구조재료를 생산하는 반복 가능한 산업 공정을 구축하는 것을 목표로 한다.
양사는 판재 및 원형 봉을 포함한 바나듐 합금 소재의 제조 및 가공 기술 증진에 박차를 가하고 있다. 첫 번째 완제품인 원형 봉 7.3kg과 판재 2.6kg(위 사진 참조)은 2026년 8월에 완성되었는데 총 약 70kg이 KF에 납품될 예정이다. KF는 이 소재를 가공 및 접합하여 2027년에 블랭킷 모형 제작을 시작할 것으로 예상하고 있다.
KF는 이번 공동 개발을 통해 얻은 구조 재료를 사용하여 담요 모형을 제작함으로써 담요 개발 및 상용화를 진전시킬 예정이다. KF는 블랭킷 구조 재료를 냉각재, 증식재, 작동 온도와 분리해서 선택할 수 없기 때문에, 블랭킷 구조 재료를 자체 개발 중인 SiC/SiC 복합재와 함께 바나듐 합금과 같은 재료와 병행하여 개발될 것으로 보인다.
