본 연구과제를 통해 기존 상용 Zr핵연료 피복관 대비 사고환경에서 수소 발생량을 1/100이상 감소하고 고온 변형량을 1/2로 감소시킨 사고저항성 핵연료 피복관 원천기술을 개발하였다.
핵연료 피복관은 핵연료 피복관은 고온 변형량을 1/2로 감소시킨 사고저항성 핵연료 피복관 원천기술을 개발하였다. 핵연료 피복관은 핵연료(UO2)를 감싸고 있는 4m 길이에 0.57mm의 두께를 갖는 튜브로 원자로 가동환경에서 중성자와 반응하지 않고, 내식성과 변형저항성이 우수해야 한다.
이러한 기본적인 물성을 충족하면서 사고시에도 산화와 변형에 대한 안정성을 유지하기 위한 방안으로 기존의 Zr 합금 핵연료 피복관의 표면에 산화물
분산강화(ODS; oxide dispersion strengthened) 처리와 내산화성이 우수한 물질을 코팅하는 표면개질 기술을 개발하였다.
본 연구개발에서의 산화물분산강화 방법은 기존의 파우더를 이용한 제조공정이 아니라 레이저 열원으로 산화물 입자를 이미 완성된 피복관에 원하는 두께로 주입시키는 3D 레이저 스캐닝 기술로 세계 최초의 신개념 기술이다.
이 기술을 핵연료 피복관에 적용하면, 고온에서 변형량을 1/2 이하로 줄일 수 있다. 이와 병행하여 표면코팅을 위한 물질로 Cr-Al 합금을 개발하였는데, 이 코팅용 합금의 사고환경에서 내산화성은 상용 Zr 합금 대비 1000배 그리고 미국, 프랑스에서 적용하고 있는 Cr보다 10배이상 향상된 세계 최고 수준이다.
신물질인 Cr-Al 합금을 핵연료 피복관에 코팅하는 방법으로 아크이온 플래이팅과 3D 레이저 프린팅 기술을 각각 개발하여 코팅물질과 Zr합금 간에 우수한 접합력을 갖도록 하였다.
개발된 사고저항성 핵연료 피복관은 원자력발전소 모사 정상운전 조건에서는 상용 피복관 대비 내식성이 5배, 크립저항성이 6배 그리고 마모저항성이 2배 향상되는 등 여러 평가항목에서 우수성이 확인되었다.
또한 노르웨이의 연구로에서 290일 동안 연소시험결과 건전성이 유지되는 것으로 확인되었다. 개발된 기술은 우수성을 인정받아 제52회 발명의 날에 대통령표창을 수상하였고, 원자력학회지 우수논문상, 국내외 특허2건을 확보하였고, 국내 산업체에 기술이전(3D프린팅 기술) 을 하였다.
본 연구결과는 현재 국내 원전 산업체와 공동으로 상용화 기술개발을 진행 중에 있다.
