핵연료 피복관 산화 메커니즘 규명...피복관 산화 부식 해석, 중대사고 연구 등 활용 기대

국내 연구진이 원자력발전소를 한 차원 더 안전하게 운영하는 데 기여할 수 있는 연구결과를 발표했다.

한국원자력연구원(원장 박원석)은 임상호 원자력연구원 방사화학연구실 박사와 윤영상 영남대학교 교수의 공동연구팀이 세계 최초로 물을 흡착하고 있는 핵연료 피복관의 산화 메커니즘을 규명했다고 1일 밝혔다.

원자로 내부에서 핵연료를 둘러싸고 있는 핵연료 피복관은 부식에 강한 지르코늄 합금을 주원료로 하지만 고온·고압의 물과 핵연료의 열에너지에 노출돼 필연적으로 표면에서 산화가 발생한다.

피복관은 원전 안전성과 핵연료의 성능을 좌우하므로 이번 연구결과를 활용하면 안전한 고성능 피복관을 제조할 수 있다는 게 원자력연구원의 설명이다.

임상호 박사팀은 국내 가압경수로를 포함해 세계적으로 널리 사용되는 3세대 개량 핵연료 피복관인 ‘지르코늄합금 피복관’의 수중 산화 반응을 실험했다.

그 결과 실온에서 물을 흡착하고 있는 피복관 표면이 산화를 거치면서 지르코늄 금속의 비율이 줄어든다는 것을 관측함으로써 산화로 인해 지르코늄 산화물이 생성됐다는 것을 확인했다.

이와 함께 표면에서 지르코늄 산화물이 생성된 지르코늄합금 피복관을 고온으로 달구면 지르코늄 산화물이 분해되는 동시에 다량의 물이 탈착되고 이 과정에서 산화됐던 피복관 표면이 다시 금속으로 변하는 현상을 관측했다.

원자력연구원에 따르면 이 결과는 고온 환경 피복관 연구의 해석자료로 사용될 수 있으며 원자력 재료개발 분야에서 주목받는 피복관 산화 부식 해석과 중대사고 연구에 다양하게 활용될 전망이다.

이번 연구에서 물을 머금은 지르코늄합금 피복관의 미세한 표면구조를 분석하는 데는 포항공대에서 운영하는 원형방사광가속기를 활용한 ‘고해상도 광전자방출 분광법’이 사용됐다고 원자력연구원은 덧붙였다.

이번 연구를 주도한 임 박사는 “이번 연구는 방사광가속기 기반 고해상도 광전자방출 분광법을 이용해 세계 최초로 피복관의 물 흡착 메커니즘을 분석한 최초의 결과물”이라며 “안전한 원전을 만들어나가는 데 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구성과는 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 4월호에 게재됐다.