차세대원자로 SFR 핵연료 피복관 손상 난제, 국내서 해결 기술 개발

원자력연, SFR 핵연료 피복관 내면 순수 크롬 코팅층 제조공정 개발
지난해 국제학술지 게재… 특허출원·기술이전도 추진

한국원자력연구원이 개발한 펄스-역전류 방식 핵연료 피복관 코팅 기술이 핵연료와 피복관의 화학반응을 방지하는 구조도. /제공=한국원자력연구원

차세대 원자로 소듐냉각고속로(SFR)의 피복관 손상 문제를 해결하는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

한국원자력연구원은 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업을 통해 SFR 핵연료 피복관 내부에 불순물 없이 크롬(Cr)을 균일하게 코팅해 핵연료와 피복관의 화학반응을 완벽히 차단한 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

차세대 원자로 중 기술적 완성도가 가장 높아 유망한 노형으로 평가되는 SFR은 핵연료와 피복관 사이의 화학반응으로 피복관이 손상되는 문제가 발생할 수 있는데, 국내 연구진이 이 기술적 난제를 해결했다는 것이다.

SFR의 금속핵연료와 피복관은 화학적 상호작용(FCCI)으로 열화현상이 일어나 손상될 수 있다. 이를 막기 위해 일반적으로 크롬이 포함된 수용액을 피복관 내부에 넣고 전기분해 방식으로 피복관에 코팅층을 만든다.

하지만 기존 크롬 코팅에 활용하던 직류(Direct Current) 및 펄스(Pulse Current) 전해도금 방식은 한 방향으로만 전류가 흘러 물이 분해되어 발생한 수소나 불순물이 코팅층에 포함되고, 코팅층의 균일성이 떨어졌다. 이로 인해 코팅층에 균열이 발생하고, 핵연료와 피복관의 FCCI 반응이 일어나는 문제가 있었다.

이에 선진핵연료기술개발부 여승환 박사 연구팀은 전류의 방향을 매우 빠른 속도(초당 100회 이상)로 반복해서 변경하는 펄스-역전류(Pulse-Reverse Current) 전해도금 방식으로 55℃에서 30분 간 피복관 내부를 크롬으로 코팅하는 기술을 개발했다. 이 기술은 전류 방향을 빠르게 바꿔 불순물이 코팅층에 붙는 것을 막아 순수 크롬 코팅층을 만들 수 있다. 이를 통해 20마이크로미터(μm) 두께로 균일한 코팅층을 만드는데 성공했으며, 기존 방식 대비 코팅층 두께 오차를 1/3로 줄였다.

연구팀은 크롬 코팅층의 성능 검증을 위해 SFR의 비정상 상황을 가정해 650℃에서 25시간 동안 FCCI 모의실험을 진행했다. 그 결과, 기존 방식으로 제작한 피복관은 FCCI 반응으로 피복관의 최대 30마이크로미터(모의 핵물질 최대 침투 깊이) 정도가 열화됐다. 이러한 문제를 막기 위해 크롬 코팅층 위에 질소화합물(Cr2N)층을 이중으로 코팅하는 추가적인 공정이 필요할 수밖에 없다.

하지만 이번 기술로 제작한 피복관에서는 FCCI 반응이 전혀 일어나지 않아 비상 상황에서도 핵연료 누출을 방지할 수 있음을 확인했다. 이는 단일 도금 공정을 통해 피복관을 완벽하게 보호할 수 있어 경제적이라는 평가다. 또 피복관 뿐 아니라 그와 유사한 소구경(외경 7mm) 튜브에 모두 적용할 수 있어 다른 산업 설비 및 부품 제작에도 활용될 것으로 전망된다.

이번 연구 결과는 국제학술지인 저널오브뉴클리어머터리얼즈(Journal of Nuclear Materials)에 지난해 12월 게재됐다. 또한 기술에 대한 국내 특허를 출원했으며, 관련 기업으로 기술 이전을 추진할 계획이다.

김준환 선진핵연료기술개발부장은 "이번에 개발한 핵연료 피복관 펄스-역전류 전해도금 공정은 SFR 원자로 소재 제작의 핵심 기술로 자리 잡을 것"이라며 "차세대 원자로의 안전성을 강화할 핵연료 시스템 개발에 전념하겠다"고 밝혔다.