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국민체감형 연구성과

[2018년 국가연구개발사업 우수성과 100선] 후쿠시마 원전사고를 차단하는 핵연료 피복관 개발
작성자 관리자
등록일 2020.01.10
조회수 159
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[2018년 국가연구개발사업 우수성과 100선 ]  후쿠시마 원전사고를 차단하는 핵연료 피복관 개발

사고저항성 핵연료 피복관 원천기술 개발,  한국원자력연구원 김현길

(사진) 후쿠시마 제1원자로는 핵연료 피복관이 산화되면서 발생한 대량의 수소 때문에 폭발로 이어졌다. (출처: NHK 뉴스 화면)

 

핵연료 피복관이 산화되어 발생한 수소가 폭발한 후쿠시마 원전사고, 피복관 개선으로 막을 수 있어

 

2011년 3월 쓰나미가 일본의 한 마을을 순식간에 삼켜버리는 광경을 전 세계가 목격합니다. 영화보다 끔찍한 재해의 절정은 원자력 발전소가 폭발했다는 소식이었습니다.

“후쿠시마 원전사고는 원자력 발전소가 지진에 무너져 내리고 핵물질이 유출된 사고가 아니었습니다.” 한국원자력연구원 김현길 박사의 설명입니다.

 

“9.0 규모의 지진과 15m의 해일에도 발전소 건물은 건재했지만, 냉각이 잘 되지 않아 원자로 내부의 ‘핵연료 피복관’이 산화되어 막대한 양의 수소가 생기면서 폭발이 일어난 것입니다. 피복관의 산화를 억제할 수 있다면 폭발도 막을 수 있었던 거죠.”

 

(사진) 핵연료 피복관의 외형. 내부에서 핵분열이 일어나는 동안, 외부의 피복관이 핵연료의 외부 유출을 억제하는 1차 방어막 기능을 한다. (출처: 한국원자력연구원)

 

핵연료 피복관은 원자력을 보호하는 1차 안전망

 

핵연료 피복관(cladding)은 핵분열 중인 플루토늄을 봉형태로 직접 감싸고 있는 1차 방어막입니다. 핵을 저격해 분열시키는‘총알’역할을 하는 중성자에 반응하지 않는 소재여야 하고, 고온 고압의 핵분열 환경 속에서도 변형과 부식이 일어나서는 안 됩니다.

 

우리나라는 한국형 원자로를 개발한 후에도 한참 동안 피복관 기술은 해외에 의존하고 있었습니다. 핵연료 피복관 국산화를 위한 지속적 연구지원 결과 2012년 한국원자력연구원이 마침내 국산 피복관 ‘하나’ 개발에 성공했습니다. 4대 원자력 선진국(미국, 프랑스, 일본, 한국) 중에서는 늦은 편이었지만, 2세대 지르코늄 피복관 중에 가장 안전하고 효율성이 높습니다.

 

후쿠시마 원전사고 6년 만에 세계 최고 수준의 사고저항성 피복관 원천기술 개발

 

(사진) 원자력 피복관을 프린팅하고 있는 한국원자력연구원 김현길 박사(오른쪽). 김 박사는 6년간 연구 끝에 세계 최고 수준의 사고저항성 핵연료 피복관 원천기술 개발에 성공했다. (출처: 한국원자력연구원 김현길 박사)

 

젊은 시절 ‘하나’ 피복관 개발에 연구원으로 참여했던 김현길 박사는 후쿠시마 원전사고를 계기로 사고저항성 피복관 개발에 착수했습니다. 후쿠시마 원자로가 1,000도 이상이 되자 핵연료 피복관이 급속한 산화를 일으켜 사고에 이르게 한 것을 파악하고 1,200도 이상의 고온에서도 수소를 발생시키지 않는 소재와 제조 원천기술을 개발했습니다.

 

새로운 소재와 제조기술이 접목된 피복관은 수소발생 위험을 1/100 이하로 줄이고, 부식과 변형에 대해서도 2배 이상의 지속성을 보였습니다. 이러한 우수한 성과로 인해 2018년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정되었습니다.

 

하이브리드 소재를 3D 프린터로 정교하게 찍어내는 새로운 방식의 피복관 제작

 

김 박사는 기존의 연구개발 틀에 얽매이지 않고 미래형 소재 부품을 만들기 위한 첨단기술을 확보하는데 고민하였습니다. 그가 고안한 하이브리드 피복관은 실제 만들려면 성질이 다른 금속 소재와 실리콘 카바이드(SiC) 소재를 적절한 비율로 결합하는 정교한 공정이 필요했습니다. 그래서 생각해 낸 것이 3D 프린터로 원료 재료를 뿌리면서 피복관을 직접 제조하는 것이었습니다. 이를 위해 두 소재를 혼합하는 하이브리드 3D 프린터를 직접 제작해 아이디어를 현실에서 ‘찍어내는’ 데 성공했습니다.

 

(사진) 김현길 박사가 피복관 연구를 위해 개발한 하이브리드 3D 프린터. 금속과 실리콘을 동시에 프린팅하는 독창적인 방식으로 특허를 받고 장비기술과 소재기술을 이전하였다. (출처: 한국원자력연구원)

 

원자력 산업의 고차원 기술이 일반 산업으로 전수되어 혁신의 동력으로

 

개발한 3D 프린터 장비와 소재는 특허로 등록되었을 뿐 아니라, 그 자체로 활용도가 높아 원자력과 무관한 기업들에서도 고액의 이전료를 내고 기술을 가져갔습니다.

 

“원자력 분야에서는 상상 이상의 안전을 목표로 연구하기 때문에 일반 사업과는 차원이 다릅니다. 전쟁 중에 얻은 과학기술을 통해 산업이 발전했듯이 원자력 연구의 결과를 자동차나 휴대폰 같은 일상 산업에 적용해서 혁신을 가져오는 경우가 많아요.“

 

피복관의 성능이 향상되면 핵폐기물 분량을 크게 줄일 수 있어

 

핵연료 피복관의 내구성은 핵폐기물 감소와도 직결됩니다. 핵연료봉 부식으로 연료가 유출되는 것을 미연에 방지하기 위해 핵연료봉은 1.5년마다 50 여개의 집합체 단위로 교체합니다.

 

(사진) 경수로 원자로의 폐연료봉을 보관하는 습식저장소. 핵연료봉 피복관의 내구성이 개선되면 연료봉 교체 주기가 늘어나 폐연료봉의 양을 줄일 수 있다. (출처: 한국원자력환경공단)

 

1세대 원자로에서 사용하던 피복관 성능으로는 1년이면 연료봉을 교체해야 했지만, 한국형 피복관은 1.5년으로 그 기간을 연장시켰습니다. 그 결과 비용이 2/3로 줄었을 뿐 아니라 고준위폐기물 분량도 2/3로 줄었습니다. 개발한 사고저항성 핵연료 피복관이 상용화되면 핵연료봉 수명을 2년 이상으로 연장할 수 있어 그만큼 원자력 에너지를 안전하고 경제적으로 쓸 수 있게 됩니다.

 

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