원전 피복관의 '산화 원리' 밝히다.. 안전성 강화

물을 흡착하고 있는 ZIRLO 피복관의 지르코늄 성분비가 온도 변화에 따라 변화함을 보여주는 그래프

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 원자력 발전에 쓰이는 핵연료 피복관의 산화되는 원리에 대해 밝혀냈다. 이번 연구는 원자력 발전의 고온·고압 냉각수와 항상 접촉해 있는 핵연료 피복관의 안전성 개선에 기여할 것으로 예상된다.

한국원자력연구원은 임상호 방사화학연구실 박사와 윤영상 영남대 교수의 공동 연구팀이 물을 흡착하고 있는 핵연료 피복관의 산화 매커니즘을 규명해, 네이처의 자매 학술지인 사이언티픽 리포트에 연구 결과를 실었다고 1일 밝혔다.

연구팀은 국내 가압경수로를 포함해 전세계적으로 쓰이는 3세대 경량 핵연료 피복관인 '지르코늄 합금 피복관'의 수중 산화 반응 실험을 진행해 산화 반응의 원리를 규명했다. 실온에서 물을 흡착하고 있는 피복관 표면이 산화를 거치면 지르코늄 금속의 비율이 줄어든다는 것(46.4% → 43.1%)을 관측하며, 산화로 인해 지르코늄 산화물이 생성됐다는 것을 확인했다. 그러나 표면에서 지르코늄 산화물이 생성된 피복관을 고온으로 달구면, 지르코늄 산화물이 분해되는 동시에 다량의 물이 탈착됨을 확인했다. 이 과정에서 산화되었던 피복관 표면이 다시 금속으로 변하는 현상을 관측했다.

핵연료 피복관은 부식에 강한 지르코늄 합금을 주원료로 이루어져 있어 원자로 내부에서 핵연료를 안전하게 둘러쌓고 있다. 하지만 고온·고압의 물과 핵연료의 열에너지에 노출되기 때문에, 표면에서 산화가 필연적으로 발생한다.

연구팀은 피복관의 산화 작용이 원전의 안전성을 저하하고 핵연료의 성능을 좌우하기 때문에 피복관의 설계단계에서부터 반드시 고려해야 할 요소라며 이번 연구로 밝혀낸 데이터를 활용한다면 안전한 고성능의 피복관 제조가 가능할 것으로 예상했다.

임상호 한국원자력연구원 박사는 "이번 연구는 방사광가속기 기반 고해상도 광전자방출 분광법을 이용해 세계 최초로 피복관의 물 흡착 메커니즘을 분석한 최초의 결과물로, 안전한 원전을 만들어나가는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

실험에 활용된 ZIRLO 피복관

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr