- 3세대 개량 핵연료 피복관의 산화 반응 최초 규명 -

□ 한국원자력연구원(원장 박원석)은 방사화학연구실 임상호 박사와 영남대 윤영상 교수의 공동연구팀이 세계 최초로 물을 흡착하고 있는 핵연료 피복관의 산화 메커니즘을 규명했다고 6월 1일 밝혔다. 이 결과는 원전의 고온·고압 냉각수와 항상 접촉해있는 핵연료 피복관의 안전성을 개선하는 실마리를 제공할 것으로 예상된다.

 ㅇ 이번 성과는 영남대 화학과 윤영상 교수팀과의 공동연구 결과로, 유명 학술지인 네이처(Nature) 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 4월호에 게재돼 주목을 받았다.

한국원자력연구원 방사화학연구실 임상호 박사(실장, 좌), 영남대학교 윤영상 교수(우)

□ 핵연료 피복관은 부식에 강한 지르코늄 합금을 주원료로 이루어져 있어 원자로 내부에서 핵연료를 안전하게 둘러쌓고 있다. 하지만 고온·고압의 물과 핵연료의 열에너지에 노출되기 때문에, 표면에서 산화가 필연적으로 발생한다.

 ㅇ 피복관의 산화 작용은 원전의 안전성을 저하하고 핵연료의 성능을 좌우하기 때문에 피복관의 설계단계에서부터 반드시 고려해야 할 요소이다. 따라서 이번 연구로 밝혀낸 데이터를 활용한다면 안전한 고성능의 피복관 제조가 가능할 것으로 본다. 

□ 임 박사팀은 국내 가압경수로를 포함해 전 세계적으로 널리 쓰이는 3세대 개량 핵연료 피복관인 ‘지르코늄 합금 피복관’의 수중 산화 반응을 실험했다. 실험 결과, 실온에서 물을 흡착하고 있는 피복관 표면이 산화를 거치면 지르코늄 금속의 비율이 줄어든다는(46.4% → 43.1%) 것을 관측하며, 산화로 인해 지르코늄 산화물이 생성됐다는 것을 확인했다.

 ㅇ 그러나 표면에서 지르코늄 산화물이 생성된 피복관을 고온으로 달구면, 지르코늄 산화물이 분해되는 동시에 다량의 물이 탈착됨을 확인했다. 이 과정에서 산화되었던 피복관 표면이 다시 금속으로 변하는 현상을 관측했다.

 ㅇ 이 결과는 고온 환경 피복관 연구의 해석자료로 사용될 수 있으며, 원자력 재료개발 분야에서 주목받고 있는 분야인 피복관 산화 부식 해석 및 중대사고 연구에 다양하게 활용될 것으로 예상된다.

물을 흡착하고 있는 피복관의 지르코늄 성분비가 온도 변화에 따라 변화함을 보여주는 그래프

□ 이번 피복관 산화 반응 연구에서는 포항공대에서 운영 중인 원형방사광가속기를 활용해 ‘고해상도 광전자방출 분광법’으로 물을 머금고 있는 피복관의 미세한 표면구조를 분석해냈다. 

 ㅇ 고해상도 광전자방출 분광법은 시료에 X-선 등의 광원을 쏘아 방출된 광전자의 운동에너지를 측정해 시료의 산화 상태 및 구성비를 도출하는 기법이다. 연구팀은 이 기법을 통해 피복관 표면에서 발생하는 작은 변화까지도 포착할 수 있었다.

포항 방사광가속기를 활용해 '고해상도 광전자방출 분광법'으로 지르코늄 합금 피복관을 실험 중인 영남대 윤영상 교수

□ 이번 연구를 주도한 한국원자력연구원 임상호 박사는 “이번 연구는 방사광가속기 기반 고해상도 광전자방출 분광법을 이용해 세계 최초로 피복관의 물 흡착 메커니즘을 분석한 최초의 결과물로, ‘안전한 원전’을 만들어나가는 데 도움이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.