사용후 핵연료 운반/저장용 열중성자 차폐재

서론

현재 원자력 발전소의 경우 사용후 핵연료는 많은 양의 열중성자가 발생되며 이러한 열중성자가 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해서 사용후 핵연료를 수중에서 보관 및 저장하고 있는 실정임. 그러나, 계속적인 전력 사용으로 사용후 핵연료의 발생량이 지속적으로 증가함에 따라 저장 공간이 포화되면서 저장 공간의 확보 문제가 큰 이슈로 대두되고 있다. 2006년 말 현재 전 세계적으로 약 270,000톤의 사용후 핵연료가 발생되었으며, 매년 약 12,000톤이 추가 발생될 것으로 예상됨. 현재 30개 국가에서 439기의 원자로가 운영되고 있으며, 39기가 건설 중이고, 90기 이상이 건설 계획 중에 있기 때문에 사용후 연료 발생량은 더욱 증가할 것으로 보인다.

우리나라의 경우, 현재 20기의 원자로가 가동 중이며, 발전소 내 저장용량은 2016년경에 이미 포화상태에 이를 것으로 예상됨. 또한, 6기가 건설 중이고, 2기가 추가 건설 예정이며, 국가 에너지 기본 계획(National Energy Plan)에 따라 향후 2030년까지 원자력 발전량 비중을 59%까지(‘07, 35.5%) 증가시키는 것이 예정되어 있고, 약 38기까지 원자로의 추가 건설이 검토 중이므로 사용후 연료 처리 문제가 더욱 심각해질 것으로 예상되고 있다. 따라서 한정된 공간내에 사용후 핵연료를 보관 및 저장하기 위해서는 많은 양의 사용후 핵연료를 좁은 공간에 효율적으로 저장할 수 있는 사용후 핵연료 저장용 구조체의 고효율화 및 고밀도화가 불가피한 실정이며, 구조체 소재의 고성능화가 요구되고 있는 상황이다. 사용후 핵연료 저장 용기로서 사용되는 재료는 우수한 열중성자 흡수능을 구비하고 있는 것이 요구되며, 아울러 저장용 용기가 부식에 의해 손상을 받지 않도록 우수한 부식저항성을 갖는 소재가 적용되어야 한다. 그 외의 선택 기준으로서 중성자에 대한 저항성, 기계적 안정도, 재질의 무게, 감속재의 소모성, 기체발생율, 사용사례 및 문제 발생 이력 등이 포함되어야 하며, 또한, 소재의 제조 측면에서 가공 및 용접/접합이 용이하여 조밀랙 등의 부품 제조가 가능해야 한다. 이러한 목적으로 최근 일본, 미국, 독일을 비롯한 선진국에서는 열중성자 차폐용 재료로서 내부식성이 우수한 알루미늄 합금 및 스테인레스강에 중성자 흡수능이 우수한 붕소(B)를 복합화하여 고효율의 차폐 성능을 갖는 신소재 기술 개발 연구에 박차를 가하고 있다. (중성자 흡수단면적 B: 750barn, B-10: 3838barn, B-11: 0.005barn Fe: 2.4barn, Al: 0.233barn, barn = 10-24cm2).

현재 국내 PWR의 경우, 주로 각 원전의 임시 저장소의 수조내 조밀랙에서 보관하는 습식 저장 방식을 이용하고 있으며, 월성 원전(CANDU)의 경우는 습식 및 건식저장 방식을 이용하여 보관하고 있다. 조밀랙 소재는 Borated Stainless Steel(BSS), Borated Al, 또는 B과 Al 분말을 소결한 Boral, Boraflex 등 중성자 흡수능이 뛰어난 보론이 함유된 재질로 구성되어 있고, 대부분, BSS 조밀랙 또는 스테인레스강 구조물에 Boral 미임계판을 부착한 조밀랙을 사용하고 있으나, 현재 BSS 및 Boral의 경우 수소발생 등 문제점이 노출되어 점차 사용이 제한되고 있다.

대개의 경우, 이러한 차폐소재는 기지금속인 알루미늄합금이나 스테인리스강에 수십 마이크로 크기의 보론 또는 보론 화합물(B4C)을 첨가하게 되는데, 일정량 이상이 되면 열간가공성, 냉간가공성, 인성 및 용접성 등이 저하되는 문제점이 있어서 일정량 이상의 보론 화합물 첨가가 매우 어렵다. 특히 스테인리스강의 경우 오스테나이트상 내의 B의 용해도가 거의 없기 때문에 매우 소량의 B(2wt% 미만)이 첨가될 수 밖에 없으며 높은 차폐성능을 기대하기 어려운 실정이다.

따라서, 사용후 핵연료 저장 시설의 차폐 효율성 향상을 위해 B의 함유량을 증가시켜 높은 중성자 흡수성능을 갖음과 동시에, 구조체로서의 기계적 강도를 유지할 수 있는 방사선 및 중성자 차폐 코팅 기술이 개발 된다면, 매우 효과적이며 경제적인 방사선 및 중성자 차폐 방안이 될 것이다.

연구 개발 동향

국내 연구개발 동향

현재, 국내 발전소의 경우, 사용후 핵연료 저장 조밀랙용 소재는 2wt% 미만의 보론을 함유한 BSS(Borated Stainless Steel), 15%~40% B4C와 Al 혼합물을 Al plate 내에서 소결한 Boral, Borated Al(건식저장 조밀랙)이 사용되고 있으며 SIEMENS, HOLTEC, ENSA 등 제작사에서 에서 전량 수입하고 있음. PWR의 경우, BSS는 고리3호기, 울진 1,2,3,4호기, 영광 1,2호기, Boral은 고리4호기, 영광 3,4호기에서 채택 운용되고 있다. 특히, Boral의 경우 가공성에 문제가 있어서 사용이 제한적이며, 점차 이용이 줄어드는 추세임. 국내 발전소 핵연료 저장대 납품회사로는 Siemens, Holtec, ABB-CE, Westinghous 등이 있다. 국내에서는 유일하게 한국원자력연구원에서 나노 보론 화합물을 함유한 폴리에틸렌 및 EPDM rubber 계열의 중성자 차폐재료 연구를 수행하여 기초적인 물성과 중성자 흡수성능 향상을 확인하여 원천기술을 확보하였다. 그러나 난연성 확보, 물성/중성자 흡수능 확보, 현장적용성 및 물질인증의 분야는 체계적인 연구가 여전히 부족한 상황이다. 이외에 간헐적으로 수행된 대부분의 연구는 고분자 기반 중성자 차폐 소재 연구로서 마이크로 크기의 입자를 이용하는 경우가 대부분이며 주로 물성향상에 중점을 두고 있다.

국외 연구개발 동향

국외의 경우 독일, 일본, 미국을 중심으로 알루미늄, stainless steel 등의 금속 기지와 폴리머 기지에 보론화합물을 분산시킨 중성자 차폐 재료를 개발하여 사용 중에 있다. Borated Stainless Steel(BSS)은 독일 Siemens사에 의해 1970년대 초 개발된 고밀도 저장대 소재로서 스테인리스강에 천연 혹은 농축 붕소를 1.6∼1.9wt% 첨가시킨 소재이나, 오스테나이트상 내의 붕소의 용해도(고용한도가 약 100ppm에 불과함)가 거의 없기 때문에 붕소의 함량이 증가하게 되면 대부분 취약한 (Cr,Fe)2B의 금속간 화합물이 형성되어 열간가공성, 냉간가공성, 인성 및 용접성 등이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 재료의 기계적 성질 및 제작성을 고려할 때 붕소 함유량이 최대 2.2wt%로 제한되며, 선진국에서도 약 2wt% 이상의 붕소 합금화에는 성공하지 못하고 있다. 또한 붕화물 형성시 입계 주위에서의 Cr의 감소는 예민화(sensitization) 측면에서 중요한 문제가 될 수 있다.

Boral은 1100계열 A1합금 모재에 60∼200mesh, 30∼40 중량%의 B4C를 배합한 분말을 샌드위치 형태로 하여 압연한 재료로서, AAR Brooks and Perkins사의 특허 제품임. 인장강도가 40MPa 정도로 낮을 뿐만 아니라, 신장율도 1% 정도로 낮고, 또한, 성형가공이 곤란하기 때문에, 구조재로서는 이용되고 있지 않은 상황이다. 1100계열 A1합금은 고 인장강도 특성을 갖는 가벼운 금속으로 방사선이나 대기 방출시 표면에 형성되는 산화막에 의해 부식저항을 갖는 소재이나, 가공성의 문제로 인해 사용이 제한적이며, 점차 이용이 줄어드는 추세이다.

Boraflex는 미국 BISCO사에서 개발된 제품으로서 실리콘 고분자 유기화합물과 B4C의 복합재(Poly Dimethyl Siloxane 25% + B4C 50% + SiO225%)로서 실리콘 화합물보다 내방사성이 양호한 것으로 알려져 있다. 그러나, 중성자 조사에 의한 기체 발생으로 밀봉용 판에 배기구를 사용토록 권고하고 있으며, 저장랙 이용 시 감마선 조사에 의해 SiO2가 용해되어 습식 저장용 수조 내 SiO2농도가 증가되는 문제를 야기하고 있다. 현재 이러한 재료의 문제점 및 제작사의 도산으로 공급이 중단된 상황이다.

일반적으로 용해주조법에 의해 제조된 Al-B 합금의 경우, 중성자를 흡수재로서 B를 첨가하게 되는데, 이때 AlB2및 AlB12의 금속간 화합물이 형성되며, 특히, AlB12가 많이 존재하면 가공성이 저하하는 것으로 알려져 있다. 또한, 이 AlB12의 양을 제어하는 것은 기술적으로도 곤란하기 때문에, 실용재로서는 B의 양을 1.5 중량% 까지 첨가하는 것이 한도이고, 따라서 중성자 흡수의 효과는 그다지 크지 않은 것으로 알려져 있다. 가스분무방법을 이용하여 304 스테인리스강에 B을 0.2~2% 과포화시키거나 천연 보론에서 B-10만을 농축시켜 적은 함유량(0.4%)으로 동일한 차폐효과를 나타내는 소재를 개발하였다. 15~40% B4C와 Al 혼합물을 Al plate 내에서 소결한 Boral, Borated Aluminum (미국 Metamic사)이 개발되어 사용되고 있다.

일본의 경우, AlB12화합물을 포함하거나 이를 다량 포함한 Al-B모합금을 이용한 주조/압연의 일반적인 방법을 이용한 Al-Mg-Si 합금 및 Al-Mg 합금소재를 개발하였다. 조밀랙용 차폐재 제작 관련 회사

  • BSS(Borated Stainless Steel): 미국의 Carpenter Technology Co., 영국의 British Steel Co., 오스트리아 BOHLER, 독일의 ENSA, Avestal Polarit GmbH, KRUPP, 일본의 Nippon Kokan K.K., Hidachi Metals , Toshiba, Mitsubishi heavy industries 등.
  • Boral(Al plate + Al/B4C + Al plate): 미국의 TalonComposites, Metamic LLC, 캐나다의 ALCAN 등.
  • Borated Aluminum: 일본의 Mitsubishi heavy industries, 미국의 Eagle Picher, Metamic 등.

연구개발 목표 및 내용

연구개발 목표

사용후 핵연료의 보관 및 운송을 위한 중성자 차폐용 보론화합물을 포함하는 금속 및 폴리머기지 복합분말의 제조와 코팅 요소기술 개발을 통한 고효율 중성자 차폐/흡수가 가능한 코팅 소재 개발을 목표로 한다.

연구개발 내용

1. 폴리머-보론 복합분말 이용 폴리머 화염분사 (PFS, polymer flame coating) 기술 개발

보론화합물이 포함되지 않은 일반 금속 구조소재 (Al, 스테인리스강) 위에 폴리머-보론 복합분말을 직접 코팅함으로써 결과적으로 중성자 차폐 성능을 보유할 수 있는 기술이다. 또한 보론화합물이 포함되어 중성자 차폐성능을 보유한 금속 복합소재 (Al-보론화합물, 스테인리스강-보론화합물 복합소재) 위에 폴리머-보론 복합분말을 직접 코팅함으로써 중성자 차폐 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 기술이라 할 수 있다. 구체적으로 중성자 차폐 성능을 보유한 폴리머-보론 복합분말을 용융시킴과 동시에 고속의 스프레이로 모재에 분사하여 코팅 층을 형성하는 기술로써 매우 높은 코팅 층 밀도와 높은 생산성 및 모재와의 우수한 결합력이 가능하다. 최종 산출물은 중성자 차폐/흡수용 경량화 고밀도 고결합형 폴리머-보론 복합분말 코팅소재이다.

image

그림 1. 폴리머 플레임 스프레이 (PFS, polymer flame spray) 기술 장비 사진 및 폴리머 보론 코팅을 포함하는 중성자 차폐용 구조체 모식도

본 연구에서는 폴리머 (LDPE, low density poly-ethylene)와 보론카바이드 (B4C) 분말을 이용하여 기계적 밀링 방법을 통하여 코팅용 복합분말을 제조하였다. 아래 그림은 복합분말의 표면 및 단면 형상을 나타내고 있다.

image

그림 2. 폴리머-보론카바이드 복합분말 표면 및 단면 형상 이미지

제조된 폴리머-보론카바이드 복합분말을 화염분사 코팅 장비에 장입한 후 200~300도 정도의 화염 내에서 복합분말을 분사하게 되면 화염으로 인해 폴리머가 순간적으로 용해되고 따라서 용융폴리머와 보론카바이드 입자가 동시에 기판 위에 코팅됨으로써 최종적으로 폴리머와 보론카바이드 복합 코팅 층이 제조되었다.

image

그림 3. 알루미늄 기판 위 폴리머-보론카바이드 화염분사 코팅 전후 사진

코팅 층의 단면에 대하여 SEM 관찰을 진행한 결과. 기판인 알루미늄과 매우 잘 접합되어 있는 것을 확인할 수 있으며, LDPE 폴리머 기지 내에 B4C 입자가 분산되어 있는 코팅층을 형성하는 것을 알 수 있다. 제조된 코팅층에 대하여 열중성자 흡수 실험 및 기계적 물성을 평가 중이다.

image

그림 4. 폴리머-보론카바이드 복합분말 코팅 층에 대한 단면 이미지

 2. 알루미늄-보론 복합분말 이용 저온동적용사 코팅 기술 개발

본 연구는 폴리머-보론화합물 복합분말 코팅과 매우 유사한 기술로써, 차폐용 기지 물질이 알루미늄이며 열에 코팅보다는 스프레이 시 운동에너지를 이용하여 구조체 위에 직접 코팅할 수 있는 기술이다. 즉, 보론의 함량을 획기적으로 증가 시킬 수 있는 방안으로서 기존 구조체 소재인 스테인리스강이나 알루미늄 합금 구조재에 보론의 함량이 현저히 증가된 코팅층 형성 기술을 개발하고자 하며, 이를 위해 스테인리스강이나 알루미늄합금 기지내에 마이크로 및 나노 크기의 보론 화합물이 균일 분산된 보론 복합 소재 코팅 원천 기술을 개발하여, 기존 소재에 비해 우수한 중성자 차폐성능 및 구조적 강도를 보유한 고효율 중성자 흡수 신소재 코팅 원천 기술을 개발하고, 이를 부위별로, 기능별로 다양한 사용후 핵연료 저장/수송용 부품에 적용하고자 한다. 현재 알루미늄-보론화합물 복합분말을 제조하여 평가 중에 있으며, 평가가 완료되면 코팅 실험을 진행할 예정이다. 이를 위한 연구 추진체계는 아래와 같다.

image

그림 5. 방사선 차폐용 코팅 기술 개발 연구 추진체계

 연구개발 결과의 활용계획

  • 중성자 차폐용 코팅 기술이 개발된다면, 기존의 보론화합물 첨가에 따른 소재 취화문제를 극복할 수 있음과 동시에 차폐 물질인 보론 함유량에 대한 여유도가 충분하므로 차폐 물질을 코팅층 내에 충분히 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.. 따라서 기존 중성자 차폐용 대표 소재인 Boral의 가공성 문제, Borated stainless steel의 적은 보론 함량 문제 등을 극복할 수 있으며, 기존 차폐소재에 비해 중성자 차폐 성능이 획기적으로 향상된 중성자 차폐 신소재 개발이 가능할 것으로 판단된다.
  • 개발 기술은 향후 지속적으로 증가될 방사성 물질의 수송 및 사용후 핵연료 저장 수요의 증가에 기여할 뿐만 아니라, 용기, 핵연료 재처리 공장, 중․저준위 방사성폐기물 등에서 발생 하는 중성자의 효과적인 차폐에 적용될 것이다. 또한 차폐 소재의 코팅제 제조가 가능하여 방사성물질 저장시설의 출입문, 원자로 내 원격제어 시스템 등에 사용되어 원전산업의 경제적 효과 유발이 기대된다.
  • 우수한 중성자 흡수능과 더불어 가공성, 인성이 향상된 나노보론 복합 코팅소재는 과도 방사선으로 인한 전자회로의 손상 및 오작동으로부터 전자부품/무기체계를 보호하여 군사과학 분야에도 적용 가능하며, 전력방호시스템, 통신 및 운송시스템 등의 국가 기간 산업망에도 효과적으로 적용 가능할 것이다.
Document ID: d20130005