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핵연료 및 원자력재료

핵연료 및 원자력 재료 연구부회
 
핵연료 및 원자력 재료 부회 (Division of Nuclear Fuel and Materials) 는 원전의 핵심인 핵연료와 원자력 재료에 관련된 연구활동을 진흥하기 위해서 설립되었다. 이러한 목적을 달성하기 위해서 다양한 연구분야를 기술중심으로 분류한 5개 전문위원회를 두고 있다. 전문위원회 명칭은 “핵연료설계 및 제조”, “핵연료 성능”, “핵연료시험 및 평가”, “원자력재료 신뢰성 및 경년열화”, “원자력신소재기술”이다.  
본 부회의 연구대상인 핵연료 및 원자력 재료는 가동원전부터 미래 원전에 이르기까지 모든 원자력시스템을 대상으로 하며, 또한 연구성격에 따라서 기초 원천 연구부터 실용화 기술개발에 이르기까지 넓은 연구범위를 포함하고 있다. 국내 연구활동을 보면, 봄 및 가을 정기학회에서 발표논문수가 매년 150-200편 정도로서 연구활동이 활발하다. 본 부회는 국제 학술교류를 일찍부터 시작하여 상당한 성과를 내고 있다. 일본원자력학회와 2002년부터 매년 2차례 공동 세미나를 개최하고 있으며, 또한 국제 핵연료 성능 학회 (Water Reactor Fuel Performance Meeting)를 미국/유럽/아시아 학회와 공동으로 주최하는 등 활발한 국제 학술교류 사업을 전개하고 있다. 
본 부회 회원들의 연구활동을 “가동원전 핵연료”, “신 핵연료”, “핵연료 재료”, ”원자력 재료“ 순서로 소개한다.    
“가동원전 핵연료” 연구개발은 1980년대부터 시작되어 현재 경수로 및 중수로 핵연료를 고유기술로써 국산화를 완료하였으며, 기술수준은 연소도 또는 파손율 관점에서는 세계 최고수준이라고 할 수 있다. 연구개발 범위는 상용 핵연료의 설계/제조/서비스 전 범위를 포함하고 있고, 개발주체는 산업체이다. 2000년대 초 한국표준형 원전용 PLUS7과 웨스팅하우스형 원전용 16ACE7 및 17ACE7을 웨스팅하우스와 공동으로 개발하여 2006년부터 국내 원전에 상용 공급하고 있으며, 특히 PLUS7 연료는 최근 아랍에미리트 원전용 핵연료로 수출될 예정이다. 2005년 9월부터 2010년 8월까지 5년에 걸쳐 ‘수출선도형 고성능 고유핵연료’, ‘HIPER(HIgh Performance with Efficiency and Reliability)’를 개발되었다. 2011년부터 3주기에 걸쳐 연소시험을 수행한 후 2016년에 상용공급을 목표로 하고 있다. 이와 함께 2008년부터는 웨스팅하우스형 원전용 고유 핵연료를 X2-Gen 이라는 이름으로 개발 중이며, 이들 HIPER와 X2-Gen의 설계개념 및 부품을 최대한 활용하여 중소형 원자로 SMART 핵연료 개발도 수행 중이다        
“신 핵연료” 기술은 2000년대 들어 제4세대 원자력시스템 핵연료 또는 경수로 신개념 핵연료에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 신개념 핵연료로는 저온 고출력이 가능한 이중냉각 핵연료가 개발되고 있으며, 이것은 2개(내부 및 외부) 피복관 사이에 환형 UO2 소결체를 장입한 형상을 가지며, 내측 피복관 안쪽과 외측 피복관 바깥쪽에서 2개 냉각수로 동시에 냉각함으로써 핵연료 온도를 크게 낮추고 열전달 면적이 증가 (열속 감소)하는 장점이 있다. 따라서 핵연료의 안전성이 크게 향상되고 또한 원자로 대규모 출력증강이 가능해진다. 이중냉각 핵연료는 설계/해석이 완료되었고, 핵심기술에 대한 열수력/기계 노외시험 및 환형 소결체 연소시험이 진행되고 있다. 
2007년에 착수한 소듐냉각 고속로 핵연료 개발은 금속연료 제조기술, 금속연료 부품기술, 그리고 금속연료 성능시험 및 평가 분야에서 진행되고 있다. 금속 연료심 제조장치를 개발하여 설계요건을 만족하는 U-10Zr 금속 연료심을 제조하였고, 휘발성 모의 TRU 물질을 사용한 U-TRU-Zr 금속연료 제조기술 및 피복관 기술을 개발하고 있다. 
연구로 핵연료는 국내 하나로 핵연료 제조기술을 국산화 하였고 또한 세계 최초로 상용급 원심분무 U 분말 제조기술을 개발하여 현재까지 10여회 이상 세계 각국에 분말을 공급하였다. 최근에는 수출형 신형연구로에 사용할 판형 U-Mo 핵연료 제조기술을 개발하고 있다. 
“경수로 핵연료 재료”개발은 재료설계, 시편제조, 노외시험, 시제품 제조, 연구로 시험 및 상용로 시험을 포함하는 장기간의 연구개발이 필요하다. 국내에서는 UO2 소결체와 Zr 합금 피복관을 대상으로 국제경쟁력이 있는 고유기술 개발이 완료되었다. UO2 소결체는 고연소도에 적합한 큰 결정립 소결체가 선진국 수준으로 개발되어 2010년에 상용화에 필요한 기술적 준비를 완료하였고, 또한  PCI(Pellet Clad Interaction)를 완화하는 소결체 재료개발이 진행되고 있다.  
Zr 피복관 연구개발은 고유 HANA 피복관 개발을 중심으로 진행되고 있으며 1997년부터 시작된  합금설계, 시편제조, 노외시험, 피복관 제조, 연구로 시험에 이르는 장기간의 연구개발이 2010년에 종료되었다. 노르웨이 Halden 연구로 연소시험 결과  HANA 피복관은 Zircaloy 피복관에 비하여 부식저항성이나 크리프 강도가 우수한 것으로 나타나고 있다. 또한 HANA 피복관은 2010년 9월 상용로에서 2주기 연소시험을 무결함 완료하였고, 추가 시험을 거쳐서 2016년에 상용화가 완료될 예정이다. 현재 HANA 이후의 신Zr 합금이 개발 중에 있다. 
   “원자력 재료” 평가는 가동원전의 노후화를 대비한 안전한 원자로 운영 그리고 출력증강 및 계속운전에 관련된 재료열화를 평가하는 중요한 기술이다. 재료열화 중 부식평가는 큰 부분을 차지하며, 전열관에 대한 재료부식시험자료 생산, 파열누설 건성성 평가 코드 개발, Ni 합금 도금기술을 이용한 손상 보수기술을 연구하고 있고, 이러한 연구는 미국 NRC 및  EPRI와 국제공동연구로 수행하고 있다. 원자력용 구조재료로서 요구되는 대표적 특성은 중성자조사에 대한 저항성이고, 이를 위해 하나로를 활용하여 다양한 재료의 중성자 조사저항특성 실험연구를 수행하고 있다. 원전 1차 압력경계 재료/기기의 파괴역학적 비교실험은 물론, 최신의 전산해석 기법을 활용한 재료 국부 파손모델의 연구를 수행하고 있다. “원자력 신소재”는 고온의 냉각재와 높은 중성자 조사 환경 하에서 운전하게 될 미래 원자력시스템을 실현하는데 필수적이다. 고온 강도가 우수하고 조사 저항성이 탁월한 산화물분산강화 합금 개발이 활발하게 진행되고 있다. 원자력 신소재를 실제 부품에 적용하기 위해서는 접합기술도 함께 확보되어야 하므로, 신소재 고유의 특성을 상실하지 않도록 고상확산 등과 같은 접합기술 개발이 진행되고 있다.