1. 기술 이전 내용 및 의의

원자력 발전소 핵연료 관련 기술 중 유일하게 국산화가 되지 않았던 핵연료 피복관 기술과 핵연료 성능 향상에 필수적인 소결체 기술이 원자력 연구개발 사상 최고 기술료를 받고 산업체에 이전돼 국내외 원전에 적용되는 상용화 단계를 밟게 됐다.
교육과학기술부(장관 이주호)는 한국원자력연구원(원장 정연호)이 교과부 원자력기술개발사업 차세대핵연료개발 과제의 일환으로 원자력 발전소 핵연료 소재의 완전 국산화를 위해 개발한 지르코늄 합금 피복관 및 이산화우라늄 소결체 소재 기술에 대해 가동 중인 국내 원전 내 검증을 완료하고 국내외 상용 원전에 적용하기 위해 한전원자력연료㈜(사장 김기학)에 기술을 이전한다고 밝혔다.
한국원자력연구원과 한전원자력연료는 12월 4일 오후 대전컨벤션센터(DCC)에서 기술 이전식을 갖고 ‘고성능 HANA 피복관’과 ‘대 결정립 UO₂(이산화우라늄) 소결체’ 기술 양도 계약을 체결했다. 기술료는 100억 원으로, 국내 원자력 연구개발 성과를 산업체에 이전하고 받은 액수로는 사상 최고액이다.

* 중수로 및 경수로 핵연료 국산화(1987∼88년), 한국표준형원전(OPR1000) 원자로계통 개발(1996년) 등 원자력 기술 자립의 근간이 된 과거 원자력 연구개발 성과물들은 국가 정책에 의해 별도 기술료 없이 산업체에 이전됐으며, 기술료 대신 1996년 이후 매년 원자력 발전량 1kw당 1.2원의 원자력연구개발기금(2011년의 경우 2,094억원)을 연구개발비로 지원받고 있다.

이번 기술 이전으로 전량 수입에 의존하던 피복관 소재 국산화와 핵연료 품질 향상에 따른 경쟁력 강화로 연간 500억에 달하는 경제적 효과를 창출할 것으로 전망된다. 또한 아랍에미리트(UAE)에 건설 중인 원전에 사용할 핵연료에도 적용되는 등 해외 수출도 기대돼 국가 기술 경쟁력 향상에 기여하게 됐다.
이번 기술 이전은 또한 현재 국내 원자력 연구개발의 근간인 원자력연구개발기금의 성과물을 성공적으로 산업체에 이전함으로써 연구개발-산업화의 선순환 구조를 확립한 것으로 평가된다.

2. 연구 개발 배경 및 경과

한국원자력연구원은 1997년 교과부 원자력연구개발사업 신형핵연료기술개발 과제(대과제 책임자 정연호, 현 원장)의 일환으로 전량 수입에 의존하던 피복관을 순수 국내 기술로 개발하기 위한 고성능 지르코늄 신합금 피복관 원천 기술 개발(연구책임자 정용환 책임연구원)과, 핵연료 성능 및 수출 경쟁력 강화를 위한 고연소도 U0₂ 핵연료 소결체 개발(연구책임자 송근우 책임연구원)에 각각 착수했다.

핵연료 피복관은 핵분열 물질인 우라늄 소결체(pellet)를 감싸 핵분열 과정에서 발생하는 방사성 물질이 외부로 나오지 못하도록 막아주는 1차 방호벽 역할을 하는 원전 핵심 부품으로,

고온 고압의 원자로 환경에서 견딜 수 있도록 부식저항성과 변형저항성이 강하면서도 핵연료가 장기간 안전하게 연소되는 성능을 구비한 첨단 소재 기술이 필요한 관계로 미국, 프랑스 등 원자력 선진국이 세계 시장을 독점,
핵연료의 핵심 소재임에도 유일하게 국산화가 되지 않아 지금까지 국내 모든 원전에서 수입 피복관으로 제조한 핵연료를 사용해왔다.
핵연료 소결체는 우라늄 산화물(UO2) 분말을 압축 가열해서 만든 원통형 물체로, 핵연료 피복관 안에 들어가 핵연료 봉을 이룬다. 소결체는 우라늄의 핵분열 과정에서 발생하는 생성물 중 기체(크립톤, 제논)를 외부로 방출하지 않고 최대한 포집하고 있는 것이 안전성과 경제성 향상에 유리한데, 소결체의 결정립 크기가 커질수록 핵분열 기체의 포집이 늘어난다.
원자력 선진국들은 소결체 성능 향상을 위해 결정립 크기를 1970년대 4~6μm, 1990년대 8~10μm, 2000년대 12~14μm로 지속적으로 증가시켜 왔으나, 국내 연구개발 착수 당시 국내 산업체 소결체의 결정립 크기는 8~10μm에 머물러 핵연료 성능 향상과 수출을 위해서는 대결정립 소결체 기술 확보가 절실했다.

3. 이전 기술 특징

이전된 2가지 기술은 피복관과 소결체의 성능을 결정짓는 핵심 요건인 부식 및 변형 저항성과 핵분열 기체 포집능력을 세계 최고 수준으로 끌어올린 것으로, 기술 이전 및 상용화로 핵연료 완전 국산화 및 국산 핵연료의 품질을 세계 최고 수준으로 끌어올릴 수 있게 됐다.
핵연료 피복관 국산화를 위해 연구진은 700종에 달하는 후보 합금에 대한 기초 연구를 토대로 합급 설계, 제조 및 평가시험 등의 과정을 거쳐 2000년 순수 국내 기술로 고성능 지르코늄 합금을 개발하는데 성공했다. 이어 2001년 외국의 선진 핵연료 회사들이 개발한 최신 신소재 피복관보다 부식 및 변형 저항성이 40% 이상 향상된 ‘HANA 피복관’시제품을 만들어냈다.
‘HANA 피복관’은 2004년부터 3년 간 노르웨이 할덴(Halden) 연구용 원자로에서 연소시험을 거친 결과 기존 피복관 대비 부식 및 변형 저항성이 40% 이상 향상된 우수한 성능을 보유하고 있음을 재확인했다. 또한 2007년 11월부터 5년 간 국내 원전에서 수행한 연소시험에서도 현재 상용 제품은 물론 외국 회사들이 개발 중인 신합금 제품보다 성능이 2배 이상 향상된 것을 확인했다.
또한 독자 개발한 피복관 제조 원천 기술의 유효성을 두고 세계 최대 원자력 기업(프랑스 AREVA)과 5년에 걸친 국제 특허 소송 끝에 승소하고, 국내와 미국 일본 유럽 중국 등에 40여 건의 특허를 등록함으로써 선진국과의 기술격차 극복하고 원천 기술을 확보하는 데 성공했다.
고연소도 UO₂소결체 개발에서는 이산화우라늄(UO₂)에 산화알루미늄(AL₂O₃) 을 소량 첨가하고 첨가 매개 물질로 고활성 우라늄(U₃O ?) 을 이용하는 기술을 통해 핵심 성능 기준인 결정립 크기를 기존 8μm에서 15μm로 획기적으로 개량하여 선진국 수준을 능가하는 소결체를 개발했다.
개발된 기술은 추가적인 공정 없이 기존 상용 공정과 동일한 방법으로 제조할 수 있고 제조 과정에서 발생한 불량 소결체 재활용도 가능해 경제성이 매우 우수하며, 한전원자력연료 상용 생산라인에서 제조자격인정시험(PQT: Procedure Qualification Test)을 성공적으로 완료해 세계 최고의 품질과 탁월한 상용 공정 적용성을 확인됐다.

4. 수출 및 기대효과

HANA 피복관이 상용화돼 2016년부터 국내 23기 모든 원전에서 적용되고 해외 수출까지 되면 경제적 효과는 연간 약 500억 원에 이를 전망이다. 피복관 개발을 통해 확보된 신합금 설계 및 제조 기술은 내식성과 고강도가 요구되는 타 분야의 구조 재료 개발을 위한 기반 기술로도 폭넓게 활용될 수 있다.

또한 대결정립 소결체 기술을 국내 경수로용 핵연료 제조에 적용하면 연간 500톤에 달하는 국내 핵연료 소결체의 품질 및 생산성이 향상되는 동시에, 한국이 건설 중인 아랍에미리트 원전 용 핵연료 등 수출용 고성능 핵연료(HIPER) 제조에 활용함으로써 핵연료 수출에도 기여할 전망이다.