'차세대 원자로' SFR 핵연료 피복관 손상 해결…기술개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 차세대 원자로인 소듐냉각고속로(SFR)에서 발생하는 피복관 손상 문제를 국내 연구진이 해결했다.

한국원자력연구원은 선진핵연료기술개발부 여승환 박사팀이 SFR 핵연료 피복관 내부에 불순물 없이 크롬(Cr)을 균일하게 코팅해 핵연료와 피복관의 화학반응을 차단, 피복관 손상을 방지할 수 있는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
 
SFR의 금속핵연료와 피복관은 화학적 상호작용으로 열화현상이 발생·손상될 수 있어 일반적으로 크롬이 포함된 수용액을 피복관 내부에 넣고 전기분해 방식으로 피복관에 코팅층을 만들어 예방하고 있다.

하지만 기존 크롬코팅에 활용하던 직류(Direct Current)와 펄스(Pulse Current) 전해도금 방식은 한 방향으로만 전류가 흘러 물이 분해돼 발생한 수소나 불순물이 코팅층에 포함되고 코팅층의 균일성도 떨어졌다. 이로 인해 코팅층에 균열이 발생하며 핵연료와 피복관의 화학반응이 일어나는 문제가 있었다.

이번에 여 박사팀은 전류의 방향을 매우 빠른 속도(초당 100회 이상)로 반복해서 변경하는 펄스-역전류(Pulse-Reverse Current) 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(μm) 두께로 균일한 코팅층을 만드는데 성공하며 기존 대비 코팅층 두께 오차를 3분의 1로 줄였다.

연구팀은 또 크롬 코팅층의 성능검증을 위해 SFR의 비정상 상황을 가정, 650도에서 25시간 동안 FCCI 모의실험을 진행했다.
 
시험 결과 기존 방식으로 제작한 피복관은 FCCI 반응으로 피복관의 최대 30마이크로미터(모의 핵물질 최대 침투 깊이) 정도가 열화됐으나 이번 기술로 제작한 피복관에서는 FCCI 반응이 전혀 일어나지 않아 비상상황에서도 핵연료 누출을 방지할 수 있음을 확인했다.

단일 도금공정을 통해 피복관을 완벽하게 보호할 수 있게 돼 향후 SFR 핵연료 시스템 안전에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 피복관뿐만 아니라 유사한 소구경 튜브에 적용이 가능해 다른 산업설비 및 부품제작에도 활용될 것으로 예상된다.

연구 결과는 국제학술지인 '저널오브뉴클리어머터리얼즈(Journal of Nuclear Materials)'에 지난해 12월 게재(논문명 Mitigating fuel cladding chemical interactions by enhancing chromium diffusion barrier performance using pulse reverse electroplating·교신저자 오정목 박사)됐다.

현재 연구원은 해당 기술에 대한 국내 특허를 출원했고 관련 기업으로 기술이전을 추진할 계획이다.
 
김준환 선진핵연료기술개발부장은 "이번에 개발한 핵연료 피복관 펄스-역전류 전해도금 공정은 SFR 원자로 소재 제작의 핵심 기술로 자리 잡을 것"이라며 "차세대 원자로의 안전성을 강화할 핵연료 시스템 개발에 지속 힘쓰겠다"고 말했다.


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