[기계신문] 한국원자력연구원은 4세대 원자로 중 하나인 소듐냉각고속로(SFR)의 금속 핵연료 제조 과정에서 생기는 용기와 핵물질의 이상 반응을 완벽히 차단하는 신소재를 개발했다고 밝혔다.
SFR 금속 핵연료는 사용후핵연료에서 추출한 핵물질(TRU)을 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.
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, 1,600℃에서 30분간 가열해 네오디뮴-이트륨 복합 산화물(Nd2YO3)의 세라믹 신소재를 개발했다.
연구팀은 신소재의 성능을 검증하기 위해 금속 핵연료 물질(U-Zr-RE)과 신소재를 실제 핵연료 제조공정과 동일한 1,500℃에서 10분간 가열하고, 6시간 동안 냉각한 후 반응성을 분석했다.
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.
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.
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.
한국원자력연구원 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.
과학기술정보통신부 사용후핵연료 처리기술 고도화 연구개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 성과는 네이처 발행 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific report)’에 지난 12월 게재되었다.
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