5.1.2 금속 핵연료 [원자력기사]

5.1.2 금속 핵연료

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■ 금속핵연료란?

금속 핵연료재료는 금속 우라늄이나 금속 플루토늄 또는 그 합금을 그대로 원자로의 연료로 사용한 것을 말한다.

원자로 개발 초기에는 핵연료 밀도가 높고 가공이 용이한 금속 핵연료재료가 주로 사용 되었다.

그러나 현재 상업용 원자로에서는 앞절에서 설명한 세라믹 핵연료가 주로 사용된다.

금속핵연료 재료는 고온에서 안정적이지 못하다. 

따라서 낮은 온도로 운전되는 연구용 원자로에서 U-Al, U-Mg, U-Zr 등 합금 금속 핵연료로 사용된다.

이중 U-Zr 합금이 대표적인 금속 핵연료 재료이다.

한국원자력연구원(KAERI)는 SFR원형로(PGSFR)에 장전할 금속 핵연료 집합체 시제품을 완성했다. 

SFR은 현재 가동중인 3세대 원전보다 지속가능성, 안전성, 경제성, 핵비확산성이 향상된 제 4세대 원전중 가장 실현 가능성이 큰 것으로 평가되는 노형이다. 

SFR은 고속중성자를 이용하여 핵분열을 일으키고 이때 발생하는 열을 액체 소듐(Na)으로 전달해 증기를 발생 시키는 특징이 있다.

또한, 미국의 라이트브리지(LightBridge)사는 금속 핵연료 기술(MFT, Metal Fuel Technology)에서 세라믹 이산화우라늄 핵연료에 비해 냉각재와의 열전도도가 향상 등 안전성을 강조한 금속핵연료 기술을 연구중이기도 하다.

이처럼 금속핵연료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

■ 금속핵연료의 장점과 단점

금속핵연료의 장점과 단점은 세라믹 핵연료와 반대로 생각할 수 있다. (정확히 반대는 아니지만 특징적인 부분은 반대로 생각하면 문제에 적용하기 쉽다)

세라믹핵연료 대비 금소핵연료 장점

▷ 핵분열성 물질의 원자밀도가 높음

▷ 열전도율이 높음

▷ 핵분열 생성물의 밀폐와 유지성이 높음

▷ 재처리가 쉬움

세라믹핵연료 대비 금소핵연료 단점

▷ 고온에서 화학적으로 불안정

▷ 융점 또는 변태점이 낮음 

▷ 방사선 조사손상이 많음

▷ 고온에서도 상변태가 일어나 낮은 출력 밀도로 연소

그리고 금속우라늄은 이방성의 성질을 지니고 있다.

물질의 재료 물성지, 예를들어 탄성계수, 프와송비, 열전달계수 등이 물질 내 모든 방향으로 그 값이 변하지 않는 경우를 등방성이라고 한다. 그리고 반대 경우인 물질 고유의 물성계수들이 물질 내 방향에 따라 그 값이 변하는 경우를 이방성이라고 한다.

실제로 지구상에서 등방성인 물질은 하나도 존재하지 않는다. 따라서 등방성 물질은 거시적인 측면에서 방향에 따라 물성치의 변화가 미미하여 등방성으로 가정한 이상적인 경우이다.

이외에도 금속 재료의 결정 구조 등의 특징이 있으나, 결정구조 등과 같이 복잡한 내용은 시간이 남을 경우에 찾아보도록 하자.

예제 1 (2012년 원자력기사 기출)

금속 핵연료에 관한 설명으로 틀린 것은?

① U-Zr 합금은 대표적인 금속 핵연료의 재료이다.

② 이산화우라늄 핵연료 보다 높은 연소도를 얻는데 유리하다.

③ 이산화우라늄 핵연료 보다 녹는점이 높다.

④ 이산화우라늄 핵연료 보다 열전도도가 높다.

정답) ③

① 금속핵연료 재료는 U-Al, U-Mg, U-Zr 등이 있으며, 대표적인 금속핵연료는 U-Zr 이다.

② 금속우라늄은 핵연료 밀도가 높아 높은 연소도를 얻는데 유리하다. 또한 가공이 용이하여 초기 노형에서 주로 사용되다가 현재는 세라믹 핵연로를 상업용 원자로에 상요한다.

③ 세라믹 이산화우라늄 보다 녹는점이 낮아 상업용 원자로에 사용하지 못하고, 현재 연구용 원자로를 이용하여 연구중에 있다.

④ 세라믹 보다 금속의 열전도도가 더 높다.

예제 2 (2012년 원자력기사 기출)

다음중 핵연료를 설명한 내용이 틀린 것은?

① 금속유라늄의 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 세라믹 이산화우라늄 보다 녹는점이 낮아 상업용 원자로에 사용하지 못하고, 현재 연구용 원자로를 이용하여 연구중에 있다.

② 금속우라늄의 결정은 이방성을 가지고 있다.

③ 세라믹 이산화우라늄은 융점이 높고, 고온에서 안전성이 높아 상업용 원자로에서 사용중이다.

④ 세라믹 이산화우라늄 핵연료는 금속우라늄보다 열전도가 낮은 단점이 있다.

예제 3 (2018년 원자력기사 기출)

금속핵연료의 장점에 대한 설명 중 틀린 것은?

① 나트륨(Na)과 반응하지 않는다.

② 재처리시 액체폐기물 발생량이 적다.

③ 높은 열전도도 특성으로 도플러 효과가 작아 반응도 제어가 용이하다.

④ 융점이 높아 기하학적으로 안정하다.

정답) ④

① 금속핵연료는 고속로(SFR)에 적용하기 우하여 많은 연구가 진행되고 있다. SFR은 고속중성자를 이용하여 핵분열을 일으키고 이때 발생하는 열을 액체 소듐(Na)으로 전달해 증기를 발생시킨다. 고속로에 사용되는 금속핵연료는 소듐과 반응하지 않아 안정적으로 열을 전달할 수 있는 장점이 있다.

② 금속핵연료의 장점이다.

③ 도플러효과는 원자로 출력 증가로 인하여 핵연료의 온도가 증가하면, 반응도가 감소하는 효과를 말한다. 도플러효과로 인하여 발전소의 열출력은 폭주하지 않고, 의도하지 않은 사고로 열출력이 갑자기 증가하게 되더라도 자연스럽게 열출력이 감소할 수 있게된다. (원자로운전과 안전 1.2.1절 참조)

금속핵연료와 세라믹 핵연료 온도가 동일하게 증가한다고 가정한다면, 금속핵연료와 같이 열전도도가 높으면, 많은 열을 냉각재로 전달할 것이므로 온도 증가가 감소할 것이다. 따라서 반응도 제어가 용이하다.

④ 금속 핵연료는 녹는점이 낮아 고온에서 안정적이지 않다.