원자력연구원, 핵연료봉 코팅기술 개발
비상 상황에서 핵연료 누출 완벽 방지
특허 출원하고 기업에 기술 이전 추진

한국원자력연구원 연구진이 소듐냉각고속로(SFR)에 들어가는 핵연료봉 코팅 기술로 핵연료와 유사한 물질로 만든 봉을 코팅해 살펴보고 있다. 원자력연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국원자력연구원 선진핵연료기술개발부 여승환 박사팀은 소듐냉각고속로(SFR)의 안전성을 높이기 위한 핵연료봉 코팅 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 연구진은 핵연료봉 코팅 기술을 국내 특허 출원했으며, 관련 기업으로 기술 이전을 추진할 계획이다.

연구진이 개발한 기술은 핵연료와 핵연료를 보호하기 위해 코팅하는 크롬 피복관 내부에 불순물 없이 균일하게 코팅한다. 이를 통해 핵연료와 피복관 사이의 화학반응으로 피복관이 손상되는 문제를 해결했다.

연구진은 "우리가 개발한 기술로 제작한 피복관에서는 FCCI 반응이 전혀 일어나지 않아 비상 상황에서도 핵연료 누출을 방지할 수 있다"고 설명했다. 그러면서 "이는 단일 도금 공정을 통해 피복관을 완벽하게 보호할 수 있어 경제적이며, 향후 SFR 핵연료 시스템 구현에 핵심적인 역할을 할 것"이라고 강조했다.

또한, 피복관 뿐만아니라 그와 유사한 소구경(외경 7mm) 튜브에 모두 적용할 수 있어 다른 산업 설비 및 부품 제작에도 활용될 것으로 기대된다.

SFR의 금속핵연료와 피복관은 화학적 상호작용(FCCI)으로 열화현상이 일어나 손상될 수 있다. 이를 막기 위해 일반적으로 크롬이 포함된 수용액을 피복관 내부에 넣고 전기분해 방식으로 피복관에 코팅층을 만든다.

하지만, 기존 크롬 코팅에 활용하던 직류 및 펄스 전해도금 방식은 한 방향으로만 전류가 흘러 물이 분해돼 발생한 수소나 불순물이 코팅층에 포함되고, 코팅층의 균일성이 떨어졌다. 이로 인해 코팅층에 균열이 발생하고, 핵연료와 피복관의 FCCI 반응이 일어나는 문제가 있었다.

연구진은 전류의 방향을 초당 100회 이상 매우 빠른 속도로 반복해서 변경하는 펄스-역전류 전해도금 방식으로 55℃에서 30분간 피복관 내부를 크롬으로 코팅했다. 이 기술은 전류 방향을 빠르게 바꿔 불순물이 코팅층에 붙는 것을 막아 순수 크롬 코팅층을 만들 수 있다. 이를 통해 20마이크로미터(μm) 두께로 균일한 코팅층을 만드는데 성공했으며, 기존 방식 대비 코팅층 두께 오차를 3분의 1로 줄였다.

연구진은 크롬 코팅층의 성능 검증을 위해 SFR의 비정상 상황을 가정해 650℃에서 25시간 동안 FCCI 모의실험을 진행했다.

그 결과, 기존 방식으로 제작한 피복관은 FCCI 반응으로 피복관의 최대 30마이크로미터 정도가 열화됐다. 이 문제를 막기 위해 크롬 코팅층 위에 질소화합물층을 이중으로 코팅하는 추가적인 공정이 필요할 수밖에 없다.

연구진은 새로 개발한 핵연료봉 코팅 기술을 국제학술지인 '저널 오브 뉴클리어 머터리얼즈(Journal of Nuclear Materials)'에 발표했다. 
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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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