유망 노형으로 평가받는 차세대 원자로 '소듐냉각고속로(SFR)'의 피복관 손상 문제가 난제인 가운데, 국내 연구진이 이를 해결했다. 관련 특허를 출원하고 기술 이전을 추진 중이다.
한국원자력연구원은 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업을 통해 SFR 핵연료 피복관 내 불순물 없이 크롬을 균일 코팅해, 손상 원인인 핵연료·피복관 화학반응을 차단하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
SFR 금속핵연료와 피복관은 화학적 상호작용(FCCI)으로 열화현상이 일어나 손상될 수 있다. 이를 막고자 크롬 포함 수용액을 피복관 내부에 넣고 전기분해 방식으로 피복관에 코팅층을 만든다.
하지만 기존 크롬 코팅에 활용하던 '직류 및 펄스 전해도금' 방식은 한 방향으로만 전류가 흐르는 탓에 물 분해로 발생한 수소·불순물이 코팅층에 포함된다. 코팅층 균일성이 떨어져 코팅층 균열이 발생하고, 핵연료·피복관 FCCI 반응이 일어나는 문제가 있었다.
이에 여승환 선진핵연료기술개발부 박사팀은 전류 방향을 초당 100회 이상 고속 반복 변경하는 펄스-역전류 전해도금 방식을 적용, 55도에서 30분간 피복관 내부를 크롬 코팅하는 기술을 개발했다.
이로써 불순물이 코팅층에 붙는 것을 막아 순수 크롬 코팅층을 만들 수 있다. 20마이크로미터(㎛) 두께로 균일한 코팅층을 만들었고, 기존 방식 대비 코팅층 두께 오차를 3분의 1로 줄였다.
SFR 비정상 상황을 가정해 650도에서 25시간 FCCI 모의실험을 진행한 결과, 이번 기술로 제작한 피복관에서는 FCCI 반응이 전혀 일어나지 않았다. 비상 상황에서도 핵연료 누출을 방지할 수 있음을 확인했다.
피복관뿐 아니라 유사한 소구경(외경 7㎜) 튜브에도 모두 적용할 수 있어 다른 산업 설비·부품 제작에도 활용 가능하다.
김준환 선진핵연료기술개발부장은 “이번에 개발한 공정은 SFR 원자로 소재 제작 핵심 기술로 자리 잡을 것”이라며 “차세대 원자로 안전성을 강화할 핵연료 시스템 개발에 전념하겠다”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 저널 오브 뉴클리어머터리얼즈에 지난 12월 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
