-원자력연, SFR 핵연료 피복관 내면에 순수 크롬 코팅층 제조 공정 개발-

-비정상 상황에서 핵연료 물질 확산 완벽 방지, 특허 출원 및 기술 이전 추진-

□ 차세대 원자로 중 기술적 완성도가 가장 높아 유망한 노형으로 평가되는 소듐냉각고속로(Sodium Fast cooled Reactor, 이하 SFR), 빌 게이츠의 테라파워가 개발하고 있는 나트륨(Natrium) 원자로도 그 일종이다. 하지만 SFR은 핵연료와 피복관 사이의 화학반응으로 피복관이 손상되는 문제가 발생할 수 있는데, 최근 국내 연구진이 이 기술적 난제를 해결했다고 한다.

사진 1-1. 한국원자력연구원이 SFR 핵연료 피복관을 보호하는 펄스-역전류 방식의 코팅 기술을 개발했다.

□ 한국원자력연구원은 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업을 통해 SFR 핵연료 피복관 내부에 불순물 없이 크롬(Cr)을 균일하게 코팅해 핵연료와 피복관의 화학반응을 완벽히 차단한 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

 ㅇ SFR의 금속핵연료와 피복관은 화학적 상호작용(Fuel-Cladding Chemical Interaction, 이하 FCCI)으로 열화현상이 일어나 손상될 수 있다. 이를 막기 위해 일반적으로 크롬이 포함된 수용액을 피복관 내부에 넣고 전기분해 방식으로 피복관에 코팅층을 만든다.

 ㅇ 하지만, 기존 크롬 코팅에 활용하던 직류(Direct Current) 및 펄스(Pulse Current) 전해도금 방식은 한 방향으로만 전류가 흘러 물이 분해되어 발생한 수소나 불순물이 코팅층에 포함되고, 코팅층의 균일성이 떨어졌다. 이로 인해 코팅층에 균열이 발생하고, 핵연료와 피복관의 FCCI 반응이 일어나는 문제가 있었다.

 ㅇ 이에 선진핵연료기술개발부 여승환 박사 연구팀은 전류의 방향을 매우 빠른 속도(초당 100회 이상)로 반복해서 변경하는 펄스-역전류(Pulse-Reverse Current) 전해도금 방식으로 55℃에서 30분간 피복관 내부를 크롬으로 코팅하는 기술을 개발했다. 이 기술은 전류 방향을 빠르게 바꿔 불순물이 코팅층에 붙는 것을 막아 순수 크롬 코팅층을 만들 수 있다. 이를 통해 20마이크로미터(μm) 두께로 균일한 코팅층을 만드는데 성공했으며, 기존 방식 대비 코팅층 두께 오차를 1/3로 줄였다.

사진 1-2. 한국원자력연구원이 SFR 핵연료 피복관을 보호하는 펄스-역전류 방식의 코팅 기술을 개발했다.

□ 연구팀은 크롬 코팅층의 성능 검증을 위해 SFR의 비정상 상황을 가정해 650℃에서 25시간 동안 FCCI 모의실험을 진행했다.

 ㅇ 그 결과, 기존 방식으로 제작한 피복관은 FCCI 반응으로 피복관의 최대 30마이크로미터(모의 핵물질 최대 침투 깊이) 정도가 열화되었다. 이러한 문제를 막기 위해 크롬 코팅층 위에 질소화합물(Cr2N)층을 이중으로 코팅하는 추가적인 공정이 필요할 수밖에 없다.

 ㅇ 하지만, 이번 기술로 제작한 피복관에서는 FCCI 반응이 전혀 일어나지 않아 비상 상황에서도 핵연료 누출을 방지할 수 있음을 확인했다. 이는 단일 도금 공정을 통해 피복관을 완벽하게 보호할 수 있어 경제적이며, 향후 SFR 핵연료 시스템 구현에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

 ㅇ 또한, 피복관뿐 아니라 그와 유사한 소구경(외경 7mm) 튜브에 모두 적용할 수 있어 다른 산업 설비 및 부품 제작에도 활용될 것으로 기대된다.

사진 2. 한국원자력연구원이 개발한 펄스-역전류 방식 핵연료 피복관 코팅 기술 개념도

□ 이번 연구 결과는 국제학술지인 저널오브뉴클리어머터리얼즈(Journal of Nuclear Materials)에 지난 12월 게재되었다. 또한 기술에 대한 국내 특허를 출원했으며, 관련 기업으로 기술 이전을 추진할 계획이다.

   * (논문) Mitigating fuel cladding chemical interactions by enhancing chromium diffusion barrier performance using pulse reverse electroplating (펄스-역전류 전기도금 공정 기반 크롬 확산 장벽 강화를 통한 연료 피복 화학적 상호작용 완화 연구, 교신저자 오정목 박사)

사진 3. 펄스-역전류 방식의 피복관 코팅 기술은 핵연료와 피복관의 화학반응을 완벽히 방지한다. 

□ 연구원 김준환 선진핵연료기술개발부장은 “이번에 개발한 핵연료 피복관 펄스-역전류 전해도금 공정은 SFR 원자로 소재 제작의 핵심 기술로 자리 잡을 것”이라며, “차세대 원자로의 안전성을 강화할 핵연료 시스템 개발에 전념하겠다”고 밝혔다.