소듐냉각고속로(SFR)는 차세대 원자로 중 기술적 완성도가 가장 높지만 화학반응으로 핵연료 피복관이 손상되는 문제가 발생할 수 있다.
SFR의 금속핵연료와 피복관은 화학적 상호작용(FCCI)으로 열화현상이 일어나 손상될 수 있고, 이를 막기 위해 일반적으로 크롬이 포함된 수용액을 피복관 내부에 넣고 전기분해 방식으로 코팅층을 만든다.
하지만 기존 크롬코팅에 활용하는 직류 및 펄스 전해도금 방식은 한 방향으로만 전류가 흘러 물 분해로 발생한 수소나 불순물이 코팅층에 포함돼 균일성이 떨어진다. 이는 코팅층 균열을 유발해 핵연료와 피복관의 FCCI 반응을 발생시킨다.
SFR 핵연료 피복관 완전 코팅기술
한국원자력연구원(이하 원자력연)이 SFR 핵연료 피복관 내부에 불순물 없이 크롬을 균일하게 코팅해 화학반응을 완벽히 차단한 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
원자력연 선진핵연료기술개발부 여승환 박사팀은 전류의 방향을 초당 100회 이상의 빠른 속도로 반복 변경하는 펄스-역전류 전해도금 방식으로 55℃에서 30분간 피복관 내부를 크롬으로 코팅하는 기술을 개발했다.
이 기술은 전류 방향을 빠르게 바꿔 불순물이 코팅층에 붙는 것을 막아 20㎛ 두께의 균일한 코팅층을 형성, 기존 대비 코팅층 두께 오차를 1/3로 줄였다.
실제 연구팀이 SFR의 비정상 상황을 가정해 650℃에서 25시간 동안 머의실험을 진행한 결과, 기존 방식으로 제작한 피복관은 FCCI 반응으로 피복관이 최대 30㎛ 열화가 발생했다. 이 경우 문제를 막기 위해 크롬 코팅층 위에 질소화합물층을 이중 코팅하는 추가 공정이 필요하다.
그러나 신 기술로 제작한 피복관은 FCCI 반응이 전혀 일어나지 않아 비상 상황에도 핵연료 누출을 방지할 수 있음을 확인했다.
이는 단일 도금공정을 통해 피복관을 완벽하게 보호할 수 있어 경제적일뿐 아니라 향후 SFR 핵연료 시스템 구현에 핵심 역할을 할 것으로 기대된다.
아울러 피복관은 물론 다른 유사 소구경 튜브에도 적용할 수 있어 다른 설비 및 부품 제작에도 활용될 수 있다.
김준환 원자력연 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 말했다.
한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘저널오브뉴클리어머터리얼즈(Journal of Nuclear Materials)’ 지난 12월에 게재됐고, 관련 기술은 국내특허 출원했다.
