고온·고압 노출 '핵연료 피복관' 안전하게 만들 방법 찾는다

임상호 원자력연 박사팀 연구...산화 매커니즘 밝혀

핵연료 피복관 안전성 개선 실마리 제시

[이데일리 강민구 기자] 원자력발전소의 고온·고압 냉각수와 항상 접촉해있는 핵연료 피복관의 안전성을 개선할 실마리가 제시됐다.

한국원자력연구원은 임상호 방사화학연구실 박사와 윤영상 영남대 교수 공동연구팀이 물을 흡착하고 있는 핵연료 피복관의 산화 메커니즘을 알아냈다고 1일 밝혔다.

실험에 활용된 ‘절로(ZIRLO)’ 피복관.

핵연료 피복관은 부식에 강한 지르코늄 합금을 주원료로 이뤄져 원자로 내부에서 핵연료를 안전하게 둘러싼다. 하지만 고온·고압의 물과 핵연료의 열에너지에 노출되면 표면에서 산화가 발생한다.

피복관의 산화 작용은 원전의 안전성을 낮추고, 핵연료의 성능을 좌우하기 때문에 피복관의 설계단계에서부터 반드시 고려해야 할 요소이다.

임 박사팀은 국내 가압경수로를 포함해 전 세계에서 널리 쓰이는 3세대 개량 핵연료 피복관인 ‘절로(ZIRLO) 피복관’의 수중 산화 반응을 실험했다.

실험 결과, 실온에서 물을 흡착하고 있는 피복관 표면이 산화를 거치면 지르코늄 금속의 비율이 46.4%에서 43.1%로 감소했고, 산화로 지르코늄 산화물이 생성됐다.

그러나 표면에서 지르코늄 산화물이 생성된 절로 피복관을 높은 온도에서 달구면, 지르코늄 산화물이 분해되면서 많은 물이 탈착됐다. 연구팀은 이 과정에서 산화됐던 피복관 표면이 다시 금속으로 변하는 것을 확인했다.

이번 연구는 고온 환경 피복관 연구 해석자료로 사용되고, 피복관 산화 부식 해석이나 중대사고 연구에 활용할 수 있다. 피복관 산화 반응 연구에는 포항공대에서 운영 중인 원형방사광가속기를 활용해 ‘고해상도 광전자방출 분광법’으로 물을 머금고 있는 절로 피복관 미세 표면구조가 확인됐다.

임상호 한국원자력연구원 박사는 “방사광가속기 기반 고해상도 광전자방출 분광법을 이용해 피복관의 물 흡착 메커니즘을 분석했다”며 “앞으로 ‘안전한 원전’을 만들어나가는 데 도움이 될 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’의 지난 4월호에 게재됐다.