5.1.1 세라믹 핵연료 [원자력기사]

5.1.1 세라믹 핵연료

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핵연료의 재료(Nuclear Fuel Material)와 관련된 내용을 다루고 있는 본 장은 핵연료 종류 중 세라믹 핵연료와 금속핵연료의 특성을 알아볼 계획이다.

먼저 핵연료재료가 가져야 하는 일반적인 특성을 살펴보자.

일반적인 특성은 핵연료 재료가 금속형태이던, 액체형태이던 간에 핵연료가 가지고 있어야 하는 효율적이고 안전하게 에너지를 발생시킬 수 있는 재료의 성질이다.

■ 핵연료 재료에 요구되는 성질

일반적으로 핵연료 재료(Nuclear Fuel Material)로서 요구되는 성질은 아래와 같다.

1) 핵분열성 물질의 원자밀도가 높은 재료

2) 열전도율이 좋은 재료

3) 핵분열 생성물(fission products)의 밀폐와 유지성이 좋은 재료

4) 고온에서 화학적으로 안정적인 재료

5) 융점 또는 변태점이 높은 재료

5) 방사선 조사손상이 적은 재료

일반적으로 금속 핵연료 재료는 핵분열성 물질의 원자밀도가 높고, 열전도율이 좋으며 핵분열 생성물의 밀폐와 유지성이 좋지만, 고온에서 화학적으로 안정적이지 못하고, 융점 또는 변태점이 낮고 방사선 조사손상을 잘 받는다.

따라서 금속 핵연료 재료는 안전성 문제로 인하여 연구용 원자로의 연로로 사용되고 있다.

산화물 핵연료 재료는 금속핵연료와 반대의 성질을 가지고 있다.

세라믹 핵연료 재료는 고온에서 화학적으로 안정적이고 융점 또는 변태점이 높고 방사선 조사손상이 적다. 그러나 금속 핵연료 재료에 비해 핵분열성 물질의 원자밀도가 낮으며, 열전도율이 낮고 핵분열 생성물의 밀폐와 유지성이 낮다.

현재는 금속 핵연료 재료와 세라믹 핵연료 재료의 장점을 모은 탄화물연료 및 질화물 연료 재료가 첨단 연료로 주목받아 많은 연구개발이 진행되고 있다.

■ 세라믹 핵연료

세라믹은 금속과 비금속 혹은 준금속들이 열처리에 의해 서로 결합하여 결정질을 만드는 소결과정을 거친 뒤 형성된 결정질들이 모여 3차원적 망 구조를 형성한 고체물질을 뜻한다.

세라믹의 어원은 고대 그리스어인 커라미코스로 도자기를 만드는 도예와 관련이 있다.

따라서 세라믹 핵연료는 보통 도자기에 비유한다.

도자기는 철에 비해 녹슬거나 화학적으로 잘 변하지 않으며, 잘 녹지 않는다. 그리고 방사선 조사에 대해서도 손상이 적다.

그러나 철에 비해 열전도도가 낮다.

 

세라믹 핵연료는 산화물연료, 질화물연료 등이 있으며, 대표적인 것은 산화물연료이다.

산화물연료로서는 이산화우라늄(UO₂), 이산화플루토늄(PuO₂), 이산화토륨(ThO₂) 등이 있으나 이산화우라늄(UO₂)이 가장 대표적이다.

보통은 이산화우라늄 분말을 원주형 펠렛으로 성형가공한 뒤 지르칼로이 또는 스테인리스강으로 만든 피복관에 밀봉하여 사용한다.

■ 세라믹 핵연료의 장점과 단점

금속핵연료 대비 세라믹 핵연료 장점

▷ 고온에서 화학적으로 안정적

▷ 융점 또는 변태점이 높음 

▷ 방사선 조사손상이 적음

▷ 고온에서도 상변태가 일어나지 않아 안전성이 좋으므로 높은 출력 밀도로 연소

금속핵연료 대비 세라믹 핵연료 단점

▷ 핵분열성 물질의 원자밀도가 낮음

▷ 열전도율이 낮음

▷ 핵분열 생성물의 밀폐와 유지성이 낮음

예제 1 (2003년 원자력기사 기출)

핵연료의 이상적인 조건이 아닌 것은?

① 열전도도가 낮을 것

② 핵분열성 원자의 밀도가 높을 것

③ 화학적 안정성이 높을 것

④ 중성자 조사에 대한변형이 일어나지 않을것

정답) ① 

① 핵연료의 열전도도가 좋은(높은) 재료이어야 핵연료에서 발생한 열을 원자로냉각재계통으로 잘 전달할 수 있다. 그리고 핵연료가 금속형태이던, 액체형태이던 간에 효율적이고 안전하게 에너지를 발생시킬 수 있는 핵연료의 성질은 다음과 같다.

1) 핵분열성 물질의 원자밀도가 높은 재료

2) 열전도율이 좋은 재료

3) 핵분열 생성물(fission products)의 밀폐와 유지성이 좋은 재료

4) 고온에서 화학적으로 안정적인 재료

5) 융점 또는 변태점이 높은 재료

5) 방사선 조사손상이 적은 재료

예제 2 (2006년 원자력기사 기출)

핵연료로 금속 우라늄보다 UO2를 많이 쓰는 이유로 가장 거리가 가장 먼 것은?

① 중성자 조사에 대해서 강한다.

② 열전도율이 좋다.

③ 융점이 높다.

④ 냉각재에 의해 부식되지 않는다.

정답) ④ 

금속핵연료 대비 세라믹 핵연료 장점

▷ 고온에서 화학적으로 안정적

▷ 융점 또는 변태점이 높음 

▷ 방사선 조사손상이 적음

금속핵연료 대비 세라믹 핵연료 단점

▷ 핵분열성 물질의 원자밀도가 낮음

▷ 열전도율이 낮음

▷ 핵분열 생성물의 밀폐와 유지성이 낮음

예제 3 (2009년 원자력기사 기출)

다음 특성중 금속핵연료에 비해 산화물 세라믹 핵연료의 장점은?

① 핵분열성물질의 원자밀도가 높다.

② 열전도율이 높다.

③ 핵분열생성물의 밀폐 및 유지성이 높다.

④ 융점 및 변태점이 높다.

정답) ④ 

금속핵연료 대비 세라믹 핵연료 장점

▷ 고온에서 화학적으로 안정적

▷ 융점 또는 변태점이 높음 

▷ 방사선 조사손상이 적음

금속핵연료 대비 세라믹 핵연료 단점

▷ 핵분열성 물질의 원자밀도가 낮음

▷ 열전도율이 낮음

▷ 핵분열 생성물의 밀폐와 유지성이 낮음

예제 4 (2014년 원자력기사 기출)

UO2 산화물 핵연료의 특성이 아닌 것은?

① 금속우라늄에 비해 열전도도가 낮다.

② 고온에서 이방성이다.

③ 금속우라늄에 비해 용융온도가 높다.

④ 고온에서 과잉산소를 함유한다.

정답) ② 

결정의 이방성은 금속연료의 특성이다.

예제 5 (2015년 원자력기사 기출)

산화물 세라믹 핵연료가 금속 핵연료에 비해 가지는 장점은?

① 열전도도 율이 좋다.

② 녹는점이 낮다.

③ 방사선 조사손상이 적다.

④ 사용후연료 재처리가 용이하다.

정답) ③ 

금속핵연료 대비 세라믹 핵연료 장점

▷ 고온에서 화학적으로 안정적

▷ 융점 또는 변태점이 높음 

▷ 방사선 조사손상이 적음

금속핵연료 대비 세라믹 핵연료 단점

▷ 핵분열성 물질의 원자밀도가 낮음

▷ 열전도율이 낮음

▷ 핵분열 생성물의 밀폐와 유지성이 낮음

예제 6 (2016년 원자력기사 기출)

다음중 핵연료를 설명한 내용이 틀린 것은?

① 금속우라늄의 특징은 융점이 낮고, 상변태가 일어나 고온에서 운전하는 상업용 원자로에서는 사용되지 않는다.

② 금속우라늄은 결정의 이방성을 가지고 있다.

③ 이산화우라늄은 융점이 높고, 고온에서 비교적 안정성이 높다.

④ 이산화우라늄은 열전도도가 금속우라늄 보다 크다.

정답) ④ 

① 금속우라늄의 특징은 융점이 낮고, 상변태가 일어나 고온에서 운전하는 상업용 원자로에서는 사용되지 않고 실험용 원자로에 사용되고 있다.

② 금속우라늄은 결정의 이방성을 가지고 있다. (핵연료재료 5.1.2절 참조)

③ 이산화우라늄은 융점이 높고, 고온에서 비교적 안정성이 높다.

④ 열전도도는 금속우라늄이 더 크다.