원자력(硏),
‘미래 원전용 세라믹 및 세라믹 복합체 한일 공동 워크숍’개최

차세대 원자력에 사용되는 세라믹소재 기술개발을 위한 한·일 양국 세라미스트들의 협력이 활발하게 진행되고 있다. 지난달 11일 한국원자력연구원(원장 양명승)은 일본 교토대학교 에너지이공학연구소와 공동으로 ‘미래 원전용 세라믹 및 세라믹 복합체 재료기술 한·일 공동 워크숍’을 연구원내 국제원자력교육훈련센터(INTEC)에서 개최했다.   
이번 워크숍에는 교토대 고야마 아키라, 히노키 타츠야 교수 등 일본 측 7명과 양국 전문가 20여명이 참가, 탄화규소(SiC) 세라믹 및 세라믹 복합체 소재의 미래형 원전 응용 및 일반 산업 스핀오프 기술에 대한 최신 정보를 논의했다. 한국 측 전문가들은 지식경제부 소재원천기술개발사업과 교육과학기술부 원자력연구개발사업 등의 일환으로 수행하고 있는 탄화규소 섬유 및 탄화규소 복합체 제조기술, 고온 물성 평가와 모델링 및 조사손상 평가에 대한 연구결과를 발표하고, 일본 측은 탄화규소 복합체의 제조기술, 기계적 성능평가 및 접합기술 연구결과를 발표하며 의견을 교류했다. 
탄화규소 소재는 고온 특성과 내방사선 특성이 우수해서 제4세대 원자로의 하나인 초고온가스로(VHTR) 노심 부품과 핵연료 피복재, 핵융합로 블랭킷 구조재와 절연재와, 에너지 산업 및 항공우주 산업용 고온부품 소재로 연구되고 있다. 탄화규소 복합재는 구조용 소재로 우수한 성능을 나타내고 있어 일반 산업분야 뿐 아니라 원자력계에서도 많은 연구가 진행되고 있는 분야. 이 분야의 대표적인 국제 공동연구로는 제4세대 원자로 개발을 위한 공동연구인 GEN-IV 초고온가스로 재료 프로젝트가 진행중이며, 국제에너지기구(IEA: International Energy Agency) 주관 기술협정 프로그램인 핵융합로 재료 과제도 진행되고 있다. 소재 평가방법의 표준화 및 설계 코드 개발을 위한 국제협력도 다각도로 추진되고 있는데, 한국원자력연구원 원자력재료연구부 고온 신재료 연구팀은 국제표준화기구(ISO) 세라믹 기지상 복합체 평가 표준화 위원회 활동을 추진하고 있다. 
가동중인 원전은 350℃ 정도의 열수를 이용해 전기를 생산하지만 4세대 원전에서는 1,000℃ 내외의 열로 물을 분해해 수소를 대량생산할 계획이다. 즉 대부분의 장비와 라인이 금속 대신 세라믹으로 교체된다는 것을 의미한다. 이정도 온도에서도 제 기능을 발휘할 수 있는 재료는 세라믹이 유일하기 때문이다. 그 중에서도 탄화규소 섬유 및 탄화규소 복합체가 단연 주목받는 소재. 이날 워크샵의 발표내용도 탄화규소로 집중됐다.
이날 양국 세라미스트들은 Recent efforts of NITE－SiC/SiC on industrialization and marketing(Akira Kohyama, Kyoto Univ) ▲Current Status of SiC R&D in KAERI(Ji Yeon Park, KAERI) ▲Study on creep deformation of silicon carbide by BSR technique(Shuhei Nogami, Tohoku Univ.) ▲Mechanical properties of CVD-processed SiC ceramics for advanced nuclear reactors(Weon-Ju Kim, KAERI) ▲Examination of electrical insulating properties of SiC materials under radiation environment(Teruya Tanaka, NIFS) ▲Development of SSTT method for anisotropy evaluation of SiC/SiC composite(Yong-Bum Choi, Hiroshima Univ.) ▲An atomistic simulation study on mechanical properties of polycrystalline materials(Sangil Hyun, KICET) ▲Joining technique of SiC/SiC composites for practical use(Tatsuya Hinoki, Kyoto Univ.) ▲Current status of SiC fiber development in Korea(D.H. Riu, D. G. Shin, Y. H. Kim, S. H. Huh, KICET) ▲SiC/SiC composites and W joining for advanced nuclear applications(Tamaki Shibayama, Hokkaido Univ.) ▲Fabrication of W2C nanocomposite SiC web from tungsten nanoparticle dispersed polycarbosliane by electrospinning(Dong-Keun Shin, KICET) ▲Improvement of SiC/SiC composite density by slurry infiltration and tape stacking(Dang-Hyok Yoon, Yeungnam Univ.) ▲Ceramic breeder necessary for stably supplying fuel tritium to fusion reactors(Tsuyoshi Hoshino, JAEA) ▲Grain boundary structure in iquid-phase-sintered silicon carbide(Young-Wook Kim, Univ. of Seoul)라는 주제로 심도있는 논의를 진행했다.
안광석 기자 doraz@naver.com

한국원자력연구원 원자력재료연구부 박지연 책임연구원

이번 워크샵의 개최배경과 의미에 대해 한말씀 부탁드립니다.
지난 2005년부터 SiC소재를 차세대원전에 적용하기 위해 양국의 학자들이 의기투합해 매년 행사를 개최하고 있습니다. 이번에 특별히 공개적으로 행사를 진행하게 된 것은 지식경제부와 교육과학기술부의 지원으로 관련 연구를 진행하고 있으면서도 원자력이라는 특수성 때문에 공개적인 행사를 자제해 왔던 점이 아쉬웠기 때문입니다. 아울러 차세대 원전에서 세라믹소재, 특히 SiC가 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있기 때문에 이에 대한 관심과 주의를 환기시키고자 공개행사를 마련하게 됐습니다. 
원자력 발전에 사용되는 우라늄도 세라믹으로 알고 있는데, 원자로와 세라믹소재와의 관계에 대해 간략한 설명을 부탁드립니다.
원자력 발전에 사용되는 우라늄은 산화물형태로 사용되기 때문에 세라믹인 것은 맞습니다. 하지만 기존 원자로에서는 사실 세라믹소재가 그리 주목받지 못해 왔습니다. 중성자를 잘 흡수하는 보론계 탄화물이나 산화물이 사용되고 있지만, 기본적으로 350℃ 정도의 열수를 이용해 전기를 생산했기 때문에 금속소재로도 충분히 소화할 수 있었기 때문입니다. 하지만 차세대 원전에서는 경수나 중수가 아닌 헬륨가스를 냉각제로 사용해 1,000℃ 내외의 열을 반응로에서 직접 뽑아 사용하게 됩니다. 이 에너지로 물을 분해해 수소를 생산하게 되는데 이때 열에 강한 세라믹소재가 기존 금속소재를 대신해 각종 라인과 장비의 핵심부품으로 적용될 것입니다. 그 중에서도 단연 주목받고 있는 소재가 바로 SiC, 즉 탄화규소입니다.
세라믹소재가 차세대원전 장비의 핵심소재로 사용하기 위해 풀어야할 과제는 무엇입니까?
아무리 우수한 물성의 세라믹소재를 개발해도 시스템 디자이너가 이를 활용하지 않으면 무용지물입니다. 금속소재의 경우는 설계를 위한 데이터코드를 끊임없이 개발해 체계적인 룰을 만들어왔습니다. 하지만 세라믹소재는 이러한 체계적인 데이터코드가 부족하기 때문에 시스템 디자이너들이 쉽게 채용하지 못하고 있는 실정입니다. 아울러 시스템을 고려한 소재개발 노력도 병행 되어야 할 것입니다.