한국원자력연구원(이하 원자력연)이 소듐냉각고속로(SFR)용 금속핵연료 제조 과정에서 발생하는 용기와 핵물질의 이상반응을 완벽 차단하는 신소재를 개발했다.
SFR 금속핵연료는 사용후핵연료에서 추출한 핵물질을 용기에 담아 고온에서 녹인 후 사출해 제조한다.
이 공정에서 20% 정도 핵물질이 사출 후 남고, 이 물질이 식는 과정에서 용기와 산화물 생성반응을 일으킨다. 때문에 이 잔량을 재활용하려면 추가 처리가 필요했다.
이를 예방하는 기술로 용기와 핵물질의 반응을 억제하는 이트리아 기반 상용소재로 용기를 코팅하고 있지만 성능에 한계가 있었다.
원자력연 선진핵연료기술개발부 박상규 박사팀은 이트리아에 란탄계 원소를 첨가하면 기존 상용 소재보다 반응성이 현저히 감소하는 점에 주목했다.
여러 후보물질을 검토한 연구팀은 산화네오디뮴(Nd2O3)을 이트리아와 1대 1로 혼합하고, 1600℃에서 30분 가열해 네오디뮴-이트륨 복합산화물(Nd2YO3) 세라믹 신소재를 개발했다.
연구팀은 신소재 성능을 검증하기 위해 금속핵연료 물질(U-Zr-RE)과 신소재를 실제 핵연료 제조공정과 동일한 1500℃에서 10분간 가열하고, 6시간 냉각 후 반응성을 분석했다.
그 결과 산화물을 형성하는 이상반응은 전혀 일어나지 않았고, 약 10㎛ 두께 희튜류원소 침투만 관찰됐다.
동일조건에서 기존 상용소재는 약 150㎛ 두께 반응층이 형성된 점과 비교할 때 탁월한 이상반응 차단 효과를 확인할 수 있었다.
이 소재로 코팅한 금속핵연료 제조용기를 사용하면 이상반응으로 낭비되는 핵물질 양이 획기적으로 감소하고, 추가 처리 없이 그대로 활용할 수 있어 금속핵연료 제조공정 효율이 극대화될 것으로 기대된다.
연구팀은 신소재를 금속핵연료 반응방지 부품소재로 활용하는 것뿐만 아니라 열차폐 코팅 신소재 등 유용한 기능성 소재로 활용할 수 있도록 기술을 고도화할 계획이다.
김준환 원자력연 선진핵연료기술개발부장은 “이번 기술은 금속핵연료 제조공정 효율을 혁신적으로 개선해 사용후핵연료 재활용의 타당성 확보에 기여할 것”이라며 “향후 원자력 분야뿐 아니라 다양한 산업에서 활용될 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 사용후핵연료 처리기술 고도화 연구개발사업의 지원을 받아 수행했고, 연구결과는 지난해 12월 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific report)’에 게재됐다.
(논문명 : Solidification‑induced nonuniformity in U–Zr–RE metallic nuclear fuel rods / U-Zr-RE 금속연료봉의 불균일성 응고거동에 관한 연구)
