뛰어난 부식저항성을 가지는 혁신적인 사고저항성 핵연료피복관을 개발함으로써 후쿠시마사고와 같은 중대사고 발생시에도 수소폭발을 방지하여 원자력발전소의 안전성을 확보할 수 있다.

일본에서 발생한 후쿠시마사고의 경우 지르칼로이로 제작된 핵연료피복관(이하 “피복관”)의 급속한 부식으로 인해 대량의 수소가 발생하고 이로 인한 수소폭발로 방사능이 환경으로 유출되었다. 사고 이후 이와 같은 중대사고로 인한 방사능 유출을 막기 위해서는 부식을 획기적으로 저감해야할 필요성이 인식되어 전세계적으로 사고저항성 피복관의 개발을 위한 연구가 집중적으로 수행되고 있다. 단기적인 해결책으로는 기존 지르칼로이 피복관에 부식저항성이 높은 재료를 코팅하는 기술들이 개발되어 적용을 앞두고 있다. 하지만 장기적으로는 기존의 지르칼로이 피복관을 대체할 혁신적인 재료를 개발함으로써 원자력발전소의 안전성을 획기적으로 향상시켜야 한다.

최근 원자력 및 양자공학과의 원자력 및 고온재료연구실(장창희교수)에서는 ADSS 라는 혁신적인 피복관 재료를 개발하였다. ADSS 합금은 기존의 고온내열소재들의 단점을 보완하기 위해 알루미늄과 니켈의 양을 조절하여 가공성, 강도 및 연성, 그리고 조사저항성을 향상시킨 재료이다. ADSS 합금의 설계개념은 아래 그림 1에 간략히 나타나 있다.

개발된 ADSS 합금의 성능은 어려가지 측면에서 체계적으로 평가되어 그 결과가 유수의 국제학술지에 논문으로 게재되었다. 우선, ADSS 합금의 부식저항성을 평가하고 그 결과를 기존의 지르칼로이 피복관 및 후보재료들과 비교하였다. 중대사고를 모사한 환경에서 ADSS 합금은 지르칼로이 대비 100배 이상 우수한 부식성능을 나타내었으며, 정상운전 환경에서도 타 후보소재들이 부식으로 인해 큰 무게감소를 나타내는데 비해 무게변화가 미미하였다. 다음으로 ADSS 합금은 1,000 MPa 이상의 강도와 25% 정도의 연신율을 보여 탁월한 강도와 연신율 조합을 보여 얇은 피복관 제작에 유리한 것으로 평가되었다. 또한 중대사고 발생시 피복관의 건전성 유지에 중요한 크리프 및 파열 특성 측면에서도 ADSS 합금은 1,000 도에서 10배이상의 크리프 저항성을 보이고, 파열시험 종료시까지 온전한 상태로 유지하였다. 따라서 파열시험 종료 이전에 파열이 발생한 지르칼로이 및 타 후보소재에 비해 ADSS 합금이 탁월한 사고저항성을 보였다. 크리프 및 파열시험의 개략도 및 결과는 아래 그림 2에 나타나 있다. 마지막으로 최근 타 연구그룹이 독립적으로 수행한 연구에 따르면 ADSS 합금은 미세한 나노크기의 석출물의 존재로 인해 우수한 조사저항성 및 열취화저항성을 나타내는 것으로 보고되었다. 이러한 특성은 핵연료 피복관 재료로 사용하기에 명백한 장점이다.

위와 같은 연구결과를 기반으로 ADSS 합금의 특허를 출원하여, 한국, 중국, 미국에서 총 4건의 물질특허를 등록하였다. 현재는 조사저항성과 열취화저항성에 대한 추가적인 연구를 수행 중이며 이를 통해 ADSS 합금의 조성 및 미세조직을 최적화할 계획이다. ADSS 합금에 대한 연구현황 및 성과는 아래 웹사이트에서 확인할 수 있다.

http://nurmat.kaist.ac.kr/pages/sub/research_topic#box-05