원자력연, 차세대 원자로 SFR 핵연료 피복관 난제 해결

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 차세대 원자로 중 기술적 완성도가 높아 유망한 노형으로 평가되는 소듐냉각고속로(SFR)의 기술적 난제를 해결했다. SFR은 핵연료와 피복관 사이의 화학반응으로 피복관이 손상되는데 이를 개선한 것이다.

한국원자력연구원은 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업을 통해 SFR 핵연료 피복관 내부에 불순물 없이 크롬을 균일하게 코팅해 핵연료와 피복관의 화학반응을 완벽히 차단한 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

한국원자력연구원이 SFR 핵연료 피복관을 보호하는 펄스·역전류 방식의 코팅 기술을 개발했다.(사진=한국원자력연구원)

SFR의 금속핵연료와 피복관은 화학적 상호작용으로 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 직류나 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 발행했다.

연구팀은 이에 전류의 방향을 초당 100회 이상의 속도로 반복해서 변경하는 펄스·역전류 전해도금 방식으로 55도에서 30분간 피복관 내부를 크롬으로 코팅하는 기술을 개발했다. 이 기술은 전류 방향을 빠르게 바꿔 불순물이 코팅층에 붙는 것을 막아 순수 크롬 코팅층을 만들 수 있다. 이를 통해 20마이크로미터 두께로 균일한 코팅층을 만드는데 성공했으며, 기존 방식 대비 코팅층 두께 오차를 3분의1로 줄였다.

크롬 코팅층의 성능 검증을 위해 SFR의 비정상 상황을 가정해 650도에서 25시간 동안 FCCI 모의실험을 진행한 결과, 기존 방식으로 제작한 피복관은 FCCI 반응으로 피복관의 최대 30마이크로미터 정도가 열화됐다. 반면 이번 기술로 제작한 피복관에서는 FCCI 반응이 일어나지 않았다.

김준환 원자력연 선진핵연료기술개발부장은 “이번에 개발한 공정은 SFR 원자로 소재 제작의 핵심 기술로 자리 잡을 것”이라며 “차세대 원자로의 안전성을 강화할 핵연료 시스템 개발에 전념하겠다”고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘저널오브뉴클리어머터리얼즈(Journal of Nuclear Materials)’에 지난해 12월 게재됐다.