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초전도가속기용 극저온 비자성강의 개발

전문가 제언: ○ 물질을 구성하는 17개의 소립자 중에서 이제까지 유일하게 발견되지 않았던 힉스입자(Higgs particle)가 2012년 4월에 유럽원자핵연구기구(CERN)에 의해 발견되었다. 힉스입자는 질량의 기원을 제공하는 중요한 입자로서 이의 발견은 세계 최강의 에너지를 실현한 가속기(LHC : Large Hadron Collider)에서 이루어졌다. LHC의 핵심부인 초전도자석 장치에는 무려 1만여 톤의 비자성 철강재료가 이용되어 자장의 안정화와 입자제어의 정밀도 향상에 크게 기여하고 있다.

○ 비자성강에는 하드필드강과 같은 고Mn강, 304 또는 316계열의 Ni-Cr계 스테인리스강 등 여러 종류가 있어 의류 파스너, 변압기나 발전기 케이스, 굴삭드릴 등에 이용되고 있다. 가속기의 초전도자석에 이용되는 비자성강은 통상의 산업용과는 달리 액체헬륨 온도(4.2K)에서 고강도, 고인성, 낮은 자화율, 높은 열팽창계수 등을 가져야 한다. 이러한 요구특성을 만족시키는 가속기용 비자성강으로 고Mn-고N계 스테인리스강과 22~28%고Mn강이 있다.

○ LHC의 초전도 쌍극자석에서는 300ton/m에 달하는 전자기력이 코일을 밀어내므로 이 힘을 철요크와 비자성 칼러(collar)로 지탱한다. 코일근방에는 자장의 균일성을 위해 극저온에서 자장의존성이 없는 비자성 칼러재가 이용된다. 또 초전도코일이 휘어져 있는 쌍극자석의 양단부는 강한 자장이 형성되어 초전도파괴의 우려가 있으므로 극저온에서 열수축률이 철과 유사한 비자성강이 이용된다. 이러한 목적으로 CERN의 LHC에는 무려 11,500톤의 고Mn-고N 비자성 스테인리스강과 1,700톤의 고Mn계 비자성강이 사용되었다.

○ 국내에서도 304, 316계열의 오스테나이트 스테인리스강을 위시한 비자성강이 생산되고 있지만 초전도코일에서 요구되는 극저온특성을 만족하는 비자성강의 제조실적은 없다. 그러나 대형제철소나 특수강 제조사는 용해정련, 성분제어, 조직제어, 압연기술 등 요소기술을 보유하고 있어 기술개발의 잠재력은 충분하다. 가속기, 핵융합로, 리니어모터카 등 최첨단기술에 이용이 가능한 비자성 철강재료의 연구개발을 기대한다.

저자: Fumio Fudanoki, Keiichi Oomura
자료유형: 학술정보