Special 우주항공/원자력용 극한소재 개발 현황 및 전망(2)

사고저항성 핵연료 소결체의 국내외 연구 개발 동향

임광영_한전원자력연료 연료연구실 책임연구원

나연수_한전원자력연료 연료연구실 선임연구원

김동석_한국원자력연구원 핵연료안전연구부 선임연구원

1. 개요

 국내 경수로형 대형 원전에 들어가는 핵연료는 그림 1과 같이 구성되어 있으며, 국내 고유 핵연료(HIPER16)를 기준으로 집합체당 핵연료봉은 236개로 약 4 m 길이의 Zr 합금 피복관에 약 8.2 mm 지름과 9.8 mm 높이로 제조된 UO2 펠릿이 장입되어 있다. 이러한 핵연료는 APR1400의 경우에 원자로 노심에 177다발의 집합체가 장전되어 핵분열에 의한 열을 발생시키고, 냉각수를 통한 열교환으로 증기를 발생시켜 터빈을 회전시켜 전기를 생산한다. 이와 같은 경수로형 원전의 핵연료는 Zr 합금 피복관-UO2 펠릿 시스템으로 현재까지 사용되고 있다. 하지만 2011년 일본 후쿠시마 원전 사고로 원전 안전성의 근본적인 개선 이슈가 발생하였고, 기존의 경제성 측면에서의 원전 운영을 최우선으로 하는 정책에서 안전강화를 최우선으로 하는 정책 방향의 전환이 이뤄졌다. 이를 통해 전 세계적으로 가동원전의 안전성에 대한 재검토 및 추가적인 안전설비 강화를 요구하게 되었으며, 특히 핵연료의 근본적인 안전성 강화를 위한 사고저항성 핵연료(Accident Tolerant Fuel, ATF)의 개발이 요구되었다. 2012년 미국 의회는 미국 원전의 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 첨단 연료 개발을 권고하였고1), 미국 에너지부 원자력국은 의회에 ATF 개발에 계획을 제출하면서 사고저항성 핵연료의 정의를 “기존의 상용 지르코늄합금 피복관 및 UO2 소결체 대비 원전의 능동적인 냉각기능이 상실된 상태에서 상대적으로 핵연료의 건전성을 장시간 동안 유지할 수 있는 핵연료로 동시에 원전의 정상/과도/사고조건에서 Zr-UO2 핵연료와 동등 또는 우수한 핵연료”로 정의하였고2), 그림 2와 같이 수소발생 저감, 피복관 및 소결체 성능개선 등과 같은 성능을 요구함에 따라3) 미국을 중심으로 산업체 주도로 사고저항성 핵연료 개발이 착수되었다. 

 국내에서는 후쿠시마 원전 사고 이후, 4차 원자력진흥종합계획(’12~’16년)에 국민신뢰 제고를 위한 원자력 이용의 안전성 강화를 정책방향으로 선정하고 과기부를 통해 사고저항성 핵연료 기반 기술 구축이 진행되었다. 5차 원자력진흥종합계획(’17~’21년)에서는 국민이 안심할 수 있는 최상의 원전 안전성 확보를 정책방향으로 선정하였으며, 원전 중대사고 및 심층방어 원천기술 개발에 사고저항성 핵연료 개발을 포함하였고 산업부와 과기부가 공동투자하여 2017년부터 2022년까지 한전원자력연료와 한국원자력연구원에서 사고저항성 핵연료 시작품 제조기술 확보를 목표로 연구개발을 추진하였다. 이후 6차 원자력진흥종합계획(22~26년)에 원전 안전과 환경분야에 첨단융합기술을 활용한 원자력의 안전한 이용을 정책방향으로 선정하고 사고확대 예방 및 대응을 위한 혁신 안전기술에 사고저항성 핵연료를 포함함으로써 산업부 및 과기부 공동으로 ‘가동원전 안전성 향상 핵심기술개발 사업’을 추진 및 기술개발에 8년간 총 6,424억원 투자계획을 수립하였다. 이에 따라 한전원자력연료와 한국원자력연구원은 사고저항성 핵연료 상용화 기술개발을 2022년에 착수하여 2029년까지 상용화 기술 확보를 목표로 연구개발을 수행 중이다.

 최근 지구 기후변화 이슈로 인한 전 지구적 온실감스 감축 노력과 더불어 2022년 7월 EU-Taxonomy 법이 통과됨에 따라 녹색에너지에 원전이 포함되었다4). 녹색에너지로 원전이 인정받기 위해서는 고준위 방사성폐기물 확보 및 사고저항성 핵연료의 적용이 필수 요건이며, 이에 따라 유럽에서 운영되는 원전에 사고저항성 핵연료를 2025년부터 적용이 의무화되었다5). 국내에서도 2022년 9월에 K-Taxonomy 법 개정을 통해 원전의 녹색에너지 포함을 발표하였으며, EU-Taxonomy와 유사하게 사고저항성 핵연료 적용과 고준위 방사성폐기물에 대한 구체적 계획수립 요건을 적용하였다6). 특히 국내 기술 개발 기간을 고려하여, 가동원전의 경우 2031년까지 사고저항성 핵연료를 적용 및 신규건설 원전에는 적용되도록 하였다. 이와 같이 후쿠시마 원전 사고 대응과 유럽 및 국내 녹색에너지 정책에 따라 사고저항성 핵연료의 필요성은 더욱 강조되었다.

 사고저항성 핵연료는 크게 피복관 기술과 소결체 기술로 구분될 수 있다. 피복관 소재는 Zr 합금 피복관 위에 Cr 금속을 ~20 ㎛ 이내로 코팅하여 부식을 방지하고, 고온산화를 억제하여 사고 시 수소발생을 저감할 수 있는 Cr 코팅 피복관 소재가 주요 개발 소재이다. 소결체는 피복관에 인가하는 파괴 요소를 억제하기 위한 성능을 부여함으로써 핵연료의 안전 여유도에 기여하는 성능개선 UO2 소재가 주요 개발 소재이다. 특히, 핵연료 소결체는 다양한 개념의 소결체 후보들이 제시되고 있으며, 국내에서는 적용 시점, 기술개발 난이도 및 성능적 측면을 고려하여 단기적, 중장기적 적용 기술로 구분하여 사고저항성 핵연료 성능을 단계적으로 개선하기 위한 계획을 추진하고 있다. 본 글에서는 이러한 사고저항성 핵연료 소결체의 주요 개발 이슈 및 개발 동향에 대해 소개하고자 한다.

그림 1. 핵연료 구성 도식

그림 2. 미국 에너지부에서 요구한 사고저항성 핵연료 주요 요구 성능[3]

2. UO2 핵연료 연소 거동

 UO2 소결체는 18개월을 1주기(cycle)로 약 3주기(cycle) 동안 원자로에서 핵분열(연소로 표현)되는데 최대 60 GWD/MTU 까지 연소된다. 핵연료 연소 시 UO2 소결체의 중심온도는 출력에 따라 다르지만 일반적으로 800~1,200℃ 정도이며, 소결체 표면에서 350~450℃ 정도이다. UO2 소결체는 기공형성제를 통해 5%의 기공을 인위적으로 형성시켜 95% 상대밀도를 갖도록 제조되는데 이는 고밀화 후 팽윤 시(swelling) 늘어나는 부피를 수용하기 위해서이며, 이러한 기공은 연소 초기에 지속적으로 높은 온도를 유지하는 핵연료 특성상 UO2 물질 확산에 의해 고밀화가 이뤄지게 되면서 소멸하게 된다. 이때 펠릿 형태의 UO2 소결체는 성형 밀도 차이에 기반한 소결체 밀도 분포 차이에 따라 수축률이 다르게 나타난다. 성형 시 압력이 주로 인가되는 상하부에 수축률이 낮고 압력이 상대적으로 적게 인가되는 중심부에서 수축률이 높게 일어나 고밀화 시 UO2 소결체는 장구 형태의 모양을 갖게 되며 고밀화는 연소 환경에 따라 다르지만, 일반적으로 약 15 GWD/MTU 까지 고밀화가 일어난다. 이후 UO2 소결체는 U-235의 핵분열로 인해 다양한 핵분열생성물(핵종)이 만들어지며 UO2 대비 상대적으로 밀도가 낮은 고체 핵종과 제논(Xe) 및 크립톤(Kr)과 같은 기체 핵종이 기공을 형성 및 축적되어 팽윤이 발생하게 된다. 기체 핵종들은 결정립(Grain) 내부에서 확산하여 입계에 축적된 후 입계를 따라 기공을 형성하여 소결체 외부로 방출되게 되며, 소결체의 온도가 높을수록, 결정립 크기가 작을수록 핵분열 가스 방출이 증가된다. 일반적으로 정상 운전일 경우 생성된 핵분열 기체의 약 5%가 방출되면서 연료봉에 갇히게 되며, 연료봉의 내부압력을 증가시키게 된다. 또한, UO2 소결체는 반경 방향의 온도구배 차이에 의해 열응력으로 인하여 크고 작은 균열들이 생기게 되며, 파편화된 조각(chip)들이 피복관과 UO2 소결체 사이의 갭 공간으로 침입하여 피복관의 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)을 일으킬 수 있다. 이와 같이 UO2 소결체는 연소 중에 다양한 열적 및 기계적 거동을 보이며, 핵연료 피복관의 건전성에 영향을 미칠 수 있는 요소들을 만들어 낼 수 있다. 따라서, 사고 시 이러한 영향을 억제하고 사고 전개 지연 및 운전원 사고 대처 시간을 연장함으로써 사고저항성 핵연료로서 UO2 소결체 성능개선이 요구되고 있다7).

그림 21. TRISO-SiC 핵연료 개념 도식도

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 11월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>