원자력연, 초고온가스로 핵연료 시제품 연소성능시험 성공

피복입자핵연료 단면 현미경 사진

아주경제 이한선 기자 = 한국원자력연구원이 수소를 대량 생산할 수 있는 차세대 원자로의 핵연료 시제품을 제작해 국내 최초로 연소성능시험에 성공했다.

한국원자력연구원은 차세대핵연료기술개발부 피복입자핵연료기술개발팀이 초고온가스로(VHTR)에 사용되는 피복입자핵연료 시제품을 개발하고 연구용 원자로 하나로를 이용해 7개월간 연소성능시험을 통해 핵연료 성능 및 건전성을 검증했다고 12일 밝혔다.

제4세대 원자로로 개발 중인 초고온가스로의 핵연료로 사용될 피복입자핵연료는 구형의 우라늄 입자를 탄소 및 탄화규소를 이용해 삼중으로 둘러싼 직경 1㎜ 크기의 입자형 연료다.

세 겹의 피복층을 통해 연소 중 핵분열 생성물이 핵연료 외부로 누출될 가능성을 극소화하고 연소 후 플루토늄의 회수가 어려워 핵비확산성을 높였다.

초고온가스로는 헬륨을 핵분열로 인하여 발생하는 열을 조절하고, 전기 생산 등을 위해 열을 전달하는 냉각재로, 흑연을 핵분열의 연쇄반응을 지속시키기 위해 핵연료로부터 방출되는 중성자를 감속시키는 감속재로 사용하고 950℃의 높은 열에너지를 이용해 수소와 고효율의 전기를 생산할 수 있다.

사고 시에도 공기의 순환만으로 원자로의 열을 식힐 수 있는 피동안전 개념을 도입해 기존의 원자로보다 안전성을 대폭 향상시켰다.

한국원자력연구원은 2006년부터 피복입자핵연료 기술 개발에 착수해 2012년 핵연료 시제품 제작을 완료했고 이번 연소성능시험을 통해 성능을 검증한 핵연료를 바탕으로 블록형의 연료체를 만들 계획이다.

연구팀은 습식 졸-겔 침전 공정(GSP)을 통해 질산에 녹인 우라늄 용액을 직경 1㎜의 진동 노즐로 떨어뜨려 구형의 입자를 만들었다.

이 입자를 1600℃의 고온에서 가열한 후 탄소 및 탄화규소로 삼중 피복해 핵연료 입자를 제조했다.

연소 성능시험을 완료한 피복입자핵연료는 최종 평가를 거쳐 핵연료 입자 1,000여 개를 한데 뭉친 블록형의 연료체로 만들어질 계획이다.

조문성 차세대핵연료기술개발부 책임연구원은 “국내 최초로 피복입자핵연료 시제품을 개발해 연구용 원자로 하나로를 이용한 연소성능시험을 성공적으로 완료해 미래 수소 경제 시대를 열어갈 초고온가스로의 핵연료를 국산화하는 기틀을 마련했다”고 밝혔다.

한국원자력연구원은 초고온가스로의 주요 조건을 모의할 수 있는 핵심 연구시설인 초고온 헬륨 루프(HELP)를 지난 2011년 연구원 내 중형헬륨실험동에 구축하고 초고온가스로 연구개발에 박차를 가해 2020년대 초고온가스로 실증로 건설을 추진할 계획이다.