원자력 발전의 핵심인 핵연료의 역할과 역사, 그리고 안전성 향상을 위한 사고저항성핵연료(ATF) 및 고유 기술 자립을 위한 연구 개발 현황 doc_id CNTS-00120004521_1

원자력발전소에서 핵연료는 에너지를 제공하는 사람의 심장과 같은 역할을 하며, 기계적으로 비유하면 내연기관 자동차의 엔진과도 같음. 화력발전소가 석유, 석탄, 가스와 같은 화석연료 연소를 통해 만들어진 열로 증기터빈을 돌려 전기를 생산하는 것처럼, 원자력발전소는 원자로에 장전된 핵연료에 있는 우라늄 원소의 핵분열 반응으로 생성된 열로 증기터빈을 돌려 전기를 만듦. 핵연료는 에너지 밀도가 높아 핵연료 5.8g의 팰렛으로 생산할 수 있는 에너지는 석탄 1톤, 원유 835리터에서 생산하는 양과 같음. 동일 질량 대비 많은 에너지를 생산할 수 있기 때문에 연료의 경제성이 우수하지만, 만약의 중대사고가 발생하는 경우에는 높은 에너지밀도를 제어하여 핵연료 내 방사능의 외부누출을 방지하여야 하며, 이를 위해 심층방어 개념을 이용하여 핵연료의 안전성을 확보하고 있음. (초기의 잠수함용 핵연료) 원자로와 핵연료가 처음 등장한 것은 1940년대 미국의 핵 잠수함 개발 프로그램을 통해서 임. 미국의 노틸러스호는 세계 최초의 원자력 잠수함으로서 1958년 8월 3일 세계 최초로 북극점을 항해할 수 있었는데, 이는 핵연료 피복관용 소재인 지르칼로이(Zircaloy)의 완성으로 가능하게 된 것임. 노틸러스 잠수함용 핵연료 개발에 있어서 가장 어려웠던 점은 고온·고압의 냉각수 환경에서 견딜 수 있는 피복관의 개발이었음. 개발 초기에는 스테인리스 스틸, 마그네슘, 알루미늄, 지르코늄 등이 후보물질로 고려되었으며, 미국 해군제독 H.G. Rickover의 결정에 의해 지르코늄이 후보소재로 선정된 후, 수많은 연구를 통해 내식성이 우수한 지르칼로이라는 합금이 완성됨. (평화 목적의 원자로용 핵연료) 잠수함용 원자로에서 시작된 기술은 1950년대부터 평화적 목적으로 이용하기 위한 전기생산용 원자로 연구가 시작됨. 후쿠시마 원전 사고 대책의 일환으로, 냉각기능 상실에 의한 핵연료 온도 상승 속도와 산화에 의한 수소 발생을 적극적으로 지연시켜 심각한 노심 손상을 억제하고 수소폭발에 의한 방사성 물질 누출 사고로의 진행을 방지시킬 수 있는 핵연료, 즉 사고저항성핵연료(ATF, Accident Tolerant Fuel) 기술 개발의 필요성이 부각됨. 원전의 안전성은 1차적으로 사고발생 가능성을 줄이는 기술개발을 통해 확보되고 있는데, ATF 기술은 후쿠시마원전 사고와 같은 최악의 사고가 발생하는 경우에도 사고에 의한 2차 피해를 없게 하거나 지연시켜 최소화함으로써 안전성을 확보하는 기술임. 이번 호에서는 핵연료 기술개발 개념의 변천을 통해 핵연료 기술개발의 중심 가치를 이해하고, 후쿠시마 원전 사고 이후의 핵연료 개념인 ATF에 대한 국내·외 기술 개발 현황을 살펴봄으로써 원전의 안전성 향상을 위한 핵연료 분야에서의 역할 가능성을 살펴보았음. (ATF 개발 필요성 부각) 핵연료는 열에너지를 생산하기 위해 반드시 필요하지만, 대중들은 후쿠시마 원전 사고에 의해 핵연료 피복관이 산화되어 수소폭발이 일어나고 발전소 건물이 파손되는 등의 현상을 바라보고 핵연료의 위험성을 인식하게 됨에 따라, ATF 개념의 기술개발 필요성이 요구됨. 미국 에너지부(DOE, Department of Energy)는 ATF를 이산화우라늄 소결체와 지르칼로이 피복관으로 구성된 상용 핵연료보다 정상운전 성능이 향상되거나 유지되면서 사고 시 냉각기능 상실에 따른 가혹한 환경을 상당 시간 동안 견딜 수 있는 핵연료로 정의함. (대형 원전용 ATF) 현재 진행 중인 대부분의 ATF 관련 연구는 기존 상용 원전 중심으로 이루어지고 있고, 국제 연구기관들(Framatome, Westinghouse, General Electric 등)은 원자력산업의 게임 체인저(game changer)로 인식하고 기술개발에 매진하고 있음. 우리나라의 가동원전 핵연료 기술은 초기 외국기술을 도입하여 개선·발전시킨 결과, 이제는 핵연료 분야의 최고 기술수준을 보유한 프랑스 Framatome사, 미국 Westinghouse사와 견줄 수 있는 수준에 도달하여 경쟁력을 확보함. 한국원자력연구원은 연구용원자로 하나로를 운용하면서 자체적으로 세계적 수준의 핵연료 기술을 확보하였으며, 미래형 원전(SFR, VHTR)의 핵연료 개발은 국가연구개발사업으로 진행 중임. 국내에서 가동 중인 상업로용 핵연료 국산화는 국가주도로 이루어졌고, 한국표준형 핵연료 개발에 성공을 거둠. 당시 한국표준형핵연료는 설계, 제조, 인허가에 관련된 사항은 국산화 하였지만, 고유 핵연료 피복관 소재의 국산화까지는 이루어지지 못하였음. 결국 핵연료 피복관 소재는 한국원자력연구에서 원자력연구개발 중장기사업을 통해 HANA 피복관을 개발하였고 현재 상용화를 위한 인허가 단계만이 남아있음. 핵연료 기술 자립을 목표로, 한국원자력연구원을 주축으로 ‘경수로용 신형핵연료 개발’ 연구를 수행하여, 국내 최초로 핵연료 소재 및 집합체 부품 분야의 고유 원천 기술들을 확보하고, 고유 핵연료 성능해석 코드(INFRA)를 개발하였으며, 하나로 연구로 연소 시험 기술과 실물 크기 핵연료 집합체 성능 시험 시설 및 핵심 시험 기술을 확보하는 등 고유기술의 확보와 기술자립의 토대를 마련함. 선진형 고유 기술 확보를 목표로, 초고연소도 고성능 핵연료 소재 원천 기술들과 혁신적 설계의 이중냉각 핵연료 핵심기술을 개발함. 이 시기에 한국원자력연구원은 HANA 피복관과 큰 결정립 이산화우라늄 소결체 기술을 상용기술 수준으로 발전시켜, 2012년 12월에 산업체에 유상양도 함. 큰 결정립 이산화우라늄 소결체 기술과 HANA 피복관은 각각 국내산업체에서 실용화가 완성(2015.8)되었고, 현재 상용 인허가 획득을 준비 중으로 국내 고유 핵연료 기술을 경쟁국과 동등한 수준으로 끌어올리는 전기를 마련함. (핵연료 재료 부문) 핵연료 개발이 어려운 이유 중에 하나는 원자로의 극한 환경에서 견딜 수 있는 성능을 구비한 재료가 확보되어야 하는 것임. 물을 냉각재로 사용하는 경수로의 경우 정상운전에서는 현재까지 개발되어 사용해오던 지르코늄합금 핵연료 피복관이 냉각재와의 양립성에 큰 문제가 없지만, 사고환경의 고온에서는 지르코늄 합금 피복관의 산화속도가 1000배 이상 증가하여 단시간에 수증기와의 반응으로 산화됨과 동시에 대량의 수소를 발생시킴으로써 수소폭발의 원인으로 작용함. 즉, 중성자에 반응성이 없으면서도 300도의 물 분위기와 1200도의 수증기 분위기에서도 산화가 억제되는 혁신적인 핵연료피복관용 소재가 필요함. 이에 기존의 핵연료에 내산화 물질을 코팅하여 기존재료의 장점과 내산화 신소재의 장점을 결합한 하이브리드 소재를 개발하였고, 하이브리드 소재의 제조기술을 확보하는 과정에서 다기능성 복합 소재를 제조할 수 있는 3D프린팅 기술을 개발함. (핵연료 피폭관 부문) 현재까지의 핵연료 개발은 연료와 피복재를 따로 개발하고 제조하여 결합하는 고전적인 제조 방식을 따르고 있으며, 이 경우 핵연료의 특정요건을 개선하는 설계변경에 제약이 많았음. 하지만 3D 프린팅 기술을 핵연료 개발 분야에 적용하면 핵연료의 조성과 밀도를 선택적으로 바꿀 수도 있고, 부위별로 강도, 내산화, 내마모 물질 등을 선택적으로 결합하여 안전한 핵연료를 만들 수 있음. 지르코늄 피복관을 사용하는 상용 핵연료가 제원 상으로는 1840℃까지 녹지는 않지만 고온의 수증기에 노출되면, 1000℃ 이상에서 빠른 산화로 수소를 발생하여 수소폭발의 원인이 되는데, 3D 프린팅에 의한 하이브리드 소재는 지르코늄의 산화를 억제하여 수소폭발을 막음으로써 지르코늄 피복관이 녹는점까지 안전성을 유지할 수 있게 해줌.