-원자력연, 핵연료 제조 용기와 핵물질의 이상 반응을 완벽 차단하는 코팅 신소재 합성-

-상용 소재 대비 월등한 이상 반응 차단 효과, 금속 핵연료 제조공정 효율 극대화-

□ 4세대 원자로 중 하나인 소듐냉각고속로(이하 SFR)는 사용후핵연료에서 추출한 핵물질(TRU)로 제조한 금속 핵연료를 사용할 수 있다. 이 금속 핵연료 제조 과정에서 용기(도가니)와 핵물질의 이상 반응으로 인한 공정손실이 난제였다. 그런데 최근 국내 연구진이 이를 해결할 제조 용기 신소재 합성에 성공해 기대를 모은다.

사진1. 한국원자력연구원은 SFR 금속 핵연료 제조 용기의 이상 반응을 방지하는 신소재를 개발했다.

□ 한국원자력연구원은 과학기술정보통신부 사용후핵연료 처리기술 고도화 연구개발사업의 지원을 받아 SFR 금속 핵연료 제조 과정에서 생기는 용기와 핵물질의 이상 반응을 완벽히 차단하는 신소재를 개발했다고 16일 밝혔다.

  ㅇ SFR 금속 핵연료는 사용후핵연료에서 추출한 핵물질을 용기에 담아 고온에서 녹인 후 사출해 핵연료를 제조한다. 현재 공정에서 약 20% 정도의 핵물질이 사출 후 남게 되는데, 이 물질이 식는 과정에서 용기와 산화물 생성 반응을 일으켜 잔량을 재활용하기 위해서는 추가 처리를 해야만 한다. 이를 예방하기 위해 용기와 핵물질의 반응을 억제하는 이트리아(Y2O3) 기반의 상용 소재로 용기를 코팅 처리하지만, 그 성능에 한계가 있었다.

  ㅇ 이와 관련해 선진핵연료기술개발부 박상규 박사 연구팀은 이트리아에 란탄계 원소를 첨가하면 기존 상용 소재보다 반응성이 현저하게 감소하는 점에 주목했다. 후보 물질에 대한 검토 끝에 산화네오디뮴(Nd2O3)을 이트리아와 1:1로 혼합하고, 1600℃에서 30분간 가열해 네오디뮴-이트륨 복합 산화물(Nd2YO3)의 세라믹 신소재를 개발했다.

  ㅇ 연구팀은 신소재의 성능을 검증하기 위해 금속 핵연료 물질(U-Zr-RE)과 신소재를 실제 핵연료 제조공정과 동일한 1500℃에서 10분간 가열하고, 6시간 동안 냉각한 후 반응성을 분석했다.

  ㅇ 그 결과 산화물을 형성하는 이상 반응은 전혀 일어나지 않았으며, 약 10㎛ 두께의 희토류원소 침투만 관찰되었다. 동일 조건에서 기존 상용 소재는 약 150㎛ 두께의 반응층이 형성된 점과 비교할 때 탁월한 이상 반응 차단 효과를 확인할 수 있었다.

사진2. 박상규 박사 연구팀이 개발한 신소재는 상용 소재에 비해 탁월한 반응 방지 효과가 있다.

□ 이 소재로 코팅한 금속 핵연료 제조 용기를 사용하면 이상 반응으로 인해 낭비되는 핵물질의 양이 획기적으로 감소하고, 추가적인 처리 없이 그대로 활용할 수 있어 금속 핵연료 제조공정 효율이 극대화될 것으로 기대된다.

  ㅇ 이번 연구 성과는 네이처 발행 국제학술지인 사이언티픽 리포트(Scientific report)에 지난 12월 게재되었다.

    * (논문명) Solidification‑induced nonuniformity in U–Zr–RE metallic nuclear fuel rods U-Zr-RE 금속연료봉의 불균일성 응고거동에 관한 연구(계면응고에 따른 반응방지)

□ 향후 연구팀은 신소재를 금속 핵연료 반응 방지 부품소재로 활용하는 것뿐만 아니라 열 차폐 코팅 신소재 등 유용한 기능성 소재로 활용할 수 있도록 기술을 고도화할 계획이다.

□ 연구원 김준환 선진핵연료기술개발부장은 “이번 기술은 금속 핵연료 제조공정 효율을 혁신적으로 개선해 사용후핵연료 재활용의 타당성 확보에 기여할 것”이라며, “향후 원자력 분야뿐만 아니라 다양한 산업에서 활용될 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.