[쿠키과학] 사용후핵연료 안전보관 핵심 '정확한 내부 온도측정'

원자력연, 사용후핵연료 건식저장시설 모사 캐니스터 열시험 장치 개발
연료봉에 온도계 부착, 헬륨 냉각제 완전 차폐
기존 추정값 아닌 실제 내부온도 측정 성공

기사승인 2024-11-20 10:47:19

사용후핵연료 건식 캐니스터 열시험 장치에서 도출한 온도 데이터를 확인하는 모습. 한국원자력연구원

사용후핵연료의 안전한 보관은 원자력발전소 운용 국가가 해결해야 할 중요 숙제다. 사용후핵연료는 시설 내부를 정확히 모니터링하는 게 핵심인데, 시설 내부는 방사설 물질로 인해 실제 온도 측정이 어려워 보수적 추정법을 사용할 수밖에 없었다.

이런 가운데 한국원자력연구원(이하 원자력연)은 사용후핵연료 건식저장시설 환경을 모사한 ‘캐니스터 열시험 장치’를 개발, 정확한 온도를 산출할 수 있게 됐다고 20일 밝혔다.

캐니스터는 1차 차폐용기로, 사용후핵연료와 열을 순환시키는 헬륨가스를 넣어 운영한다.

원자력연 운반저장기술개발실 연구팀은 ‘모의 집합체 발열 조절’과 ‘헬륨 상태유지’에 중점을 두고 건식 캐니스터 열시험 장치를 개발했다.

연구팀은 캐니스터 내부 온도를 모사하기 위해 모의 사용후핵연료 집합체를 제작했다. 또 전기히터를 삽입한 발열 모의 히터봉 236개를 만들어 실제 핵연료집합체와 유사한 모의 집합체를 구성했다. 이 때 히터와 헬륨은 캐니스터 외부장치에서 공급토록 했다.

한국원자력연구원 대형항온항습실에 설치된 모의 사용후핵연료 건식 캐니스터 열시험장치. 한국원자력연구원

모의 핵연료봉에는 온도측정 열전대를 부착해 외부에서 건식 내부 온도분포를 계측할 수 있도록 설계했다. 아울러 캐니스터 내부에 열전대 80개와 히터 236개에 달린 전기선을 외부와 연결하고도 완벽하계 밀폐할 수 있는 뚜껑도 자체 제작했다.

이렇게 개발한 열시험장치는 건식 저장 중인 사용후핵연료의 온도를 안전하고 정확하게 파악할 수 있다.

연구팀은 모의 핵연료집합체의 발열을 조절하며 핵연료 피복관 온도변화를 측정하고, 외부 온도와의 상관관계를 파악함으로써 실제 저장시스템 외부 표면온도를 기준으로 내부 사용후핵연료 온도를 정확히 파악했다.

원자력연은 이번에 개발한 시험장치로 다양한 열시험을 진행하고, 측정 자료를 축적해 사용후핵연료 건식저장 인허가 해석모델 검증 데이터로 활용할 방침이다.

또 이를 현용 보수적 예측모델을 개선하는 적용, 안전범위에서 사용후핵연료를 효율적으로 배치해 경제적 손실도 줄일 것으로 기대하고 있다.

유승환 원자력연 책임연구원은 “이번 연구는 건식 저장시설의 열적 안정성 평가에 큰 기여를 할 것”이라고 말했다.