소듐냉각고속로용 나노유체 냉각재 개발

연구개요

미래형 원자력 시스템 중의 하나인 소듐냉각고속로는 냉각재로 액체소듐을 사용한다. 소듐은 매우 뛰어난 열전도체이며 구조재와의 양립성 또한 우수하다. 소듐의 비등점은 대기압에서 883°C로서 냉각재 비등과 관련한 높은 안전여유도를 가지며, 1차 계통 압력을 대기압 수준으로 유지하게 함으로써 안전성 측면에서 매우 유리한 장점을 가지고 있다. 소듐의 유일한 단점으로는 물과 격렬한 반응을 하는 것으로 소듐냉각고속로 시스템에서 소듐과 물이 접촉할 가능성이 존재하는 유일한 곳은 증기발생기이다. 이러한 단점을 극복하기 위해 증기발생기 전열관을 이중벽으로 하여 소듐-물 반응을 원천적으로 봉쇄하는 개념, 소듐 내에 나노입자를 분산시켜 소듐-물 반응도를 줄이는 등의 연구가 국내외에서 진행되고 있다.

본 연구는 소듐 활성도 저감을 위해 20nm 미만의 고분산/균질입도 나노입자를 액체소듐에 주입하여 물과의 계면반응을 억제하는 신물질 개발 연구로써, 연구 개발이 성공적으로 이루어지면 원천핵심기술 선점을 통해 미래 원자력 산업의 국가 경쟁력을 향상시킬 수 있고, 소듐냉각고속로 증기발생기에서 발생할 수 있는 소듐-물 반응사고의 위험성을 설계기준사고 이하로 낮출 수 있어 신뢰도를 크게 향상시킬 것이다.

최종목표

  • 물 반응성 저감 나노유체형 소듐 냉각재 개발
  • 전이금속 나노입자 크기 20 nm 미만
  • 표면처리 1개월 후 나노입자 산화도 <10%, 평균 입자크기 증가율 <20%
  • 소듐-물 반응성 저감도 20% 이상

주요 연구내용

  • 20 nm 미만 surface oxide free 금속 나노입자 제조를 위한 one-step 공정 설계
  • 전이금속 나노입자 제조, 표면 활성 및 응집방지 기술개발
  • 액체소듐 분산용 최적 나노입자 선정 및 분산 요소기술 개발

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그림 1.  나노입자를 이용한 소듐 클러스터 및 소듐-물 반응성 저감원리 (ICONE14, 2007)

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그림 2. 주요 연구개발 내용

주요 연구성과

본 연구에서는 20nm 미만의 금속 나노입자 제조를 위해 액중에서 금속와이어에 펄스전류를 가하여 플라즈마 상태로 여기시킨 뒤 냉각시키는 물리적 방법을 이용하였다. 와이어가 전기폭발에 의해 증발되어 비산되는 상태에서 주변을 감싸는 액체에 의해 냉각이 이루어지게 되므로 기상응축 방식보다 단시간 내에 응축이 이루어짐으로써 생성되는 나노입자의 크기를 크게 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 그림 3은 나노입자 제조를 위한 휴대용 액중 전기선 플라즈마 장치의 모식도 및 실물사진으로써 전체적으로 전원 공급 파트, 와이어 공급 파트, 챔버(용기)파트 세부분으로 구성되어졌다. 본 장치의 펄스에너지(전압)는 25-110J (150-320V)까지 가능하며, 와이어 직경은 0.1-0.35mm, 와이어 폭발 길이는 8-88mm까지 다양하게 적용가능하다. 용액 내 전기선 플라즈마를 이용한 나노입자 제조 시 산화방지를 위해 다양한 유기물을 이용하여 제조와 동시에 입자를 코팅하는 기술을 적용하였다.

제작된 휴대용 액중 전기선 플라즈마 장치(그림 3)를 이용하여 노르말 헥산 용액 내에서 니켈 나노입자를 제조하였다. 나노입자 크기 및 입도분포 제어를 위하여 전압(인가에너지) 및 전극 간격별로 다양한 니켈 나노입자 분산 용액을 제조하였고, TEM 이미지 분석을 통해 입자의 크기 및 모양을 살펴보았다. 그림 4에서 보듯이 전극간격이 증가함에 따라 니켈 와이어 폭발 시 와이어에 전달되는 에너지의 분포가 넓게 되어 생성되는 나노입자의 평균크기가 증가하고 입도분포는 넓어지는 것을 확인하였다. 반면, 인가전압이 증가함에 따라 와이어에 전달되는 폭발에너지가 증가하여 평균입도가 약간 감소하였다. 따라서, 나노입자의 평균크기 및 입도분포를 줄이기 위해 인가전압은 높이고, 전극간격은 최대한 줄이는 것이 효과적이라는 결론을 내릴 수 있었다.

현재 제조된 나노입자를 액체 금속 내 분산시키는 연구를 진행 중이며, 고분산 장기안정성을 갖는 소듐 나노유체를 이용하여 소듐-물 반응성 저감도를 평가하는 실험이 향후 진행될 것이다.

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그림 3. 액중 전기선 플라즈마 장치 모식도 및 실물장치 사진

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그림 4. 액중 전기선 플라즈마 장치의 전극간격 및 인가전압을 변화시키며 제조된 니켈 나노입자의 TEM 사진 및 입도분석 결과

참고문헌

  1. K. Ara et al., J. Nucl. Sci. Tech. 47 (2010) 1165.
  2. K. Ara et al., J. Nucl. Sci. Tech. 47 (2010) 1171.
Document ID: d20120052