재료연, 사용후핵연료 저장용기 알루미늄 장기 열화 원인 규명

이준호 한국재료연구원 선임연구원(왼쪽 사진), 반치범 부산대학교 교수.

한국재료연구원(KIMS) 원자력안전연구단 이준호 선임연구원 연구팀과 부산대학교 반치범 교수 연구팀이 사용후핵연료 건식저장용기 내부에 사용되는 알루미늄 합금의 장기 열화 원인을 규명하고, 수십 년 뒤 재료의 성능 변화를 예측할 수 있는 평가 방법을 제시했다.

사용후핵연료 건식중간저장은 원자로에서 사용한 핵연료를 최종 처분하기 전 특수 용기에 넣어 물을 사용하지 않고 잔열을 제거하며 보관하는 방식이다. 용기 내부의 바스켓 레일과 심(shim) 등 구조물은 장기간 열에 노출되지만 연료를 장전한 뒤에는 직접 검사나 교체가 어려워 재료의 장기 성능을 사전에 평가할 필요가 있다.

연구팀은 내부 구조재료로 사용되는 6061-T651 알루미늄 합금을 150~240도에서 최대 1만 시간 열에 노출한 뒤 미세조직과 물성 변화를 분석했다.

분석 결과 재료의 강도를 높이는 나노 크기 석출물이 시간이 지나면서 커지고 서로 간격이 넓어지는 ‘과시효(overaging)’ 현상이 나타났다. 연구팀은 이 과정에서 석출물의 강화 효과가 줄어들며 합금의 강도와 경도가 낮아지는 것을 확인했다.

연구팀은 서로 다른 온도와 시간에서도 유사한 열화 상태가 나타나는 ‘시간-온도 등가관계’도 도출했다. 이를 이용하면 비교적 짧은 기간 진행한 고온 가속시험 결과를 실제 장기 저장 환경에서의 재료 변화와 연결해 장기간 사용 뒤 물성 변화를 예측할 수 있다.

연구팀은 이번 결과가 향후 사용후핵연료 건식저장용기 내부 소재의 장기 성능평가와 가속시험 조건 설정 등에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 시간제한경년열화분석(TLAA)과 경년열화관리프로그램(AMP)에 필요한 기초 데이터로도 활용 가능하다는 설명이다.

이준호 한국재료연구원 선임연구원은 “재료 내부의 나노 수준 변화가 실제 강도 저하로 이어지는 원리를 밝히고 이를 토대로 수십 년 뒤 성능 변화를 예측할 수 있는 근거를 마련했다”고 말했다.

이번 연구는 고준위방사성폐기물관리위원회 재원으로 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘International Journal of Energy Research’에 8월 26일 온라인 게재됐다. 이준호 선임연구원이 제1저자, 반치범 부산대 교수가 교신저자로 참여했다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr