사용후핵연료 저장용기 소재 국산화 성공

원자력연구원, 중성자흡수재 '코나스' 개발
5개국 해외특허 출원… 내년말 상용화 계획

한국원자력연구원 천영범 책임연구원이 중성자흡수재 '코나스(KONAS)'에 대해 설명하고 있다. 원자력연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국원자력연구원은 재료안전기술연구부 천영범 박사팀이 원전 사용후핵연료 저장용기의 핵심 소재인 중성자흡수재 국산화에 성공했다고 16일 밝혔다. 연구진은 세계 최고 성능을 지닌 중성자흡수 구조재 '코나스(KONAS)'의 물질조성 및 제조방법에 대해 국내 특허 출원을 마쳤고, 이달 중 5개국에 해외 특허를 출원할 예정이다. 내년 말까지 제조공정 최적화 등을 추가로 진행한 후 국내 산업체와 연계해 상용화를 추진할 계획이다.

원자력연구원 측은 "코나스는 해외 소재보다 수 배 이상 성능이 높아 전 세계 5조원 규모에 달하는 중성자흡수재 시장의 게임 체인저가 될 것"이라고 기대했다.

중성자흡수재는 원전 핵연료봉에서 나오는 중성자를 흡수해 핵분열을 억제하는 물질이다. 사용후핵연료 조밀저장대나 건식 저장시설에서 저장용기의 핵심 소재로 쓰인다.

현재까지 전 세계 사용후핵연료 발생량은 약 40만t 수준으로 저장을 위한 건식 저장 시장규모는 170조원 이상이며, 저장시설의 성능과 경제성을 좌우하는 중성자흡수재 소재 시장 규모도 5조원에 달한다.

국내서는 미국, 일본 등에서 독점적으로 생산하는 고가의 중성자흡수재를 전량 수입해 사용하고 있다.

한국원자력연구원 천영범 박사팀이 800kg급 대용량으로 용해해 생산한 '코나스(KONAS)' 중성자흡수재 잉곳(ingot). 원자력연구원 제공

해외의 상용화된 알루미늄 붕소탄화물 기반 중성자흡수재는 중성자 흡수 단면적이 크면서도 핵분열을 하지 않아 핵반응 제어 성능은 매우 우수하나, 부서지기 쉬워 구조적 지지 성능이 취약하다. 때문에 3중벽 구조의 금속 지지체를 만들어 그 안에 중성자흡수재를 삽입하는데, 이런 3중벽 구조는 붕괴열 방출 효율이 떨어지고, 복잡한 설계로 제작비용이 증가한다.

연구진은 지지체없이 단일벽 바스켓 구조면서 핵반응 제어와 구조적 지지 성능을 동시에 높일 수 있는 원천 소재 개발에 집중했다.

먼저 열역학 계산과 시뮬레이션을 이용한 기초연구를 통해 외부 충격에 강한 타이타늄 금속 기반 최적의 중성자흡수재 물질 조합을 도출했다. 약 400 여종에 대한 합금 제조와 평가를 통해 최적화된 합금 조성과 열처리 기술을 확보하는데 성공했다.

이 시편을 국내 유일의 연구용원자로인 하나로에서 검증한 결과 중성자흡수 성능이 해외 소재 대비 1.6배 이상 높음을 실험적으로 검증했다. 또한, 변형에 저항할 수 있는 힘의 크기인 항복강도는 2배, 끊어지지 않고 늘어나는 비율인 연신율은 20배나 높은 것도 확인했다.

단일벽 구조의 단일 소재를 통해서도 핵반응 제어 성능과 구조 지지 성능을 한 번에 구현할 수 있음을 보여준 것이다. 이를 통해 안전성과 경제성을 크게 높일 수 있다.
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