1. 핵연료의 요건
일반적으로 핵연료 재료(nuclear fuel material)로서 요구되는 성질은 (1) 핵분열성 물질의 원자밀도가 높고, (2) 열전도율이 좋으며, (3)핵분열 생성물(fission products)의 밀폐, 유지성이 좋고, (4) 고온에서 화학적으로 안정하며, (5) 융점 또는 변태점이 높고, (6) 방사선 조사손상이 적을 것 등이다.
금속 또는 금속합금 연료는 (1), (2), (3)의 특성이 우수하여 원자력 개발 초기에 활발한 연구가 있었으나, (4), (5), (6)의 특성이 열악하여 연구용 원자로의 연료로서 주로 사용되고 있다. 산화물 세라믹 연료는 (4), (5), (6)의 특성이 우수하여 현재 발전용 원자로의 연료로 널리 사용되고 있다.
한편, 금속 연료의 장점과 산화물 세라믹 연료의 장점을 겸비한 것으로 탄화물 연료 및 질화물 연료가 있으며, 차세대 첨단 연료로 주목받아 이의 실용화를 위한 많은 연구개발이 진행되고 있다.
2. 핵연료의 종류
핵연료 물질은 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th)의 3가지 원소가 해당되며, 동위원소에 따라 크게 핵분열성 물질(fissile material)과 핵원료성 물질(fertile material)로 구분할 수 있다. 전자는 중성자를 흡수하여 핵분열 반응을 일으키는 물질로써 U-233, U-235, Pu-239, Pu-241이 해당되며, 후자는 중성자를 흡수하여 핵분열성 물질로 변환되는 물질로써 Th-232, U-234, U-238, Pu-240이 해당된다. 그러나 자연에서 얻을 수 있는 핵분열성 물질은 U-235 뿐이며 그나마 천연 우라늄에 0.7 %만이 존재할 뿐, 나머지는 U-238이다. 그러므로 현재 대부분의 발전용 원자로는 천연우라늄 중의 U-235를 일부 농축하여 사용한다.
원자로에 장전되는 핵연료의 형태는 원자로의 용도나 개발 목적에 따라 다르며, 그 종류별 주요 성분을 표 1에 나타내었다. 그러나 현재로서는 고체 연료만이 실용화되고 있다. 우리나라에서 발전용 원자로의 핵연료로 사용되고 있는 가압경수로 및 중수로 핵연료를 그림 1에 보였다.
표 1. 핵연료의 종류 및 주요 성분
그림 1. 핵분열 열중성자로의 핵연료(집합체)
2.1 금속 연료
2.1.1 우라늄(Uranium, U)
천연 우라늄에는 U-234, U-235와 U-238 등 3개치 동위원소가 존재 하며, 이 중에서 핵분열성 물질인 U-235만이 핵연료로서 사용되고 있다. 금속 우라늄(U)은 밀도(19.06 g/cm3)가 대단히 높은 중금속으로 산화되지 않은 상태에서는 은백색을 띠고 있지만 산화가 잘 일어나므로 공기 중에서는 산화 정도에 따라 검은 다갈색 또는 검은색으로 변한다. 그리고 융점이 1132℃ 로 3개의 상이 존재하는데 상온에서 662℃ 까지는 사방정(orthorhombic)의 α 상으로 결정학적 이방성을 가지며, 662~772℃ 까지는 정방정(tetragonal)의 β 상으로 이 또한 결정학적 이방성을 가진다. 그리고 772-1132℃ 까지는 체심입방정(body- centered cubic)의 γ 상으로 등방성을 가진다. 핵연료로써 일반적으로 사용되는 것은 α-U과 그 합금이다. a-U은 상변태시 결정구소가 사방정 ⇄ 정방정으로 바뀌면서 체적이 약 1.2% 변한다. 그러므로 금속 우라늄 연료의 사용온도가 상변태 온도인 662℃ 이하로 제한된다. 금속 우라늄의 결정구조, 격자상수 및 밀도가 표 2에 그리고 α-U의 결정구조가 그림 2에 제시되어 있다.
표 2. 우라늄의 결정 구조 및 밀도
그림 2. α-U 의 결정구조
2.1.2 플루토늄(Plutonium, Pu)
플루토늄(Pu)은 자연계에 존재하지 않으며 U-238의 핵변환에 의해서 생성되는 원소로, 공기 중에서 산화되어 금속 특유의 은백색 광택을 잃고 카키(dull yellow)색으로 변한다. 금속 플루토늄은 융점이 640℃로 표 3에서 보는 바와 같이 α(단사정), β(체심단사정), γ(사방정), δ(면심입 방정), δ‘(정방정), ε(체심입방정)의 6개 상(phase)을 가진다. 표에서 보는 바와 같이 640℃의 구간까지 다섯 번의 상변태를 하면서 체적변화도 따르기 때문에 온도에 따라서 매우 불안정한 재료이므로 순수 Pu 금속은 핵연료로 실용화되는 것은 어렵다.
표 3. 플루토늄의 결정 구조 및 밀도
2.1.3 토륨(Thorium, Th)
토륨(Th)은 자연계에 존재하는 원소이나 핵연료성 물질로 원자로에 직접 사용하지 못하고 U-223으로 핵변환 시킨 후 핵연료로 사용할 수 있다. 금속 토륨은 융점이 높으며(1750℃) 1400℃ 이하에서는 α상 (면심 입방정)으로, 1400℃ 이상에서는 β상(체심입방정)으로 두 상이 존재한다 . 모두 대칭성이 좋아 우라늄, 플루토늄과는 달리 등방성이며 성형가공성도 좋고 95%까지 냉간가공이 가능하다. 그리고 열전도도가 높은 반면에 열팽창률이 작아서 연료로써 좋으나 화학적으로 반응성이 강하여 부식에는 약하다. 대기 중에서 산화하여 은백색에서 흑회색으로 변한다. 핵연료로서는 금속이나 합금형태가 아니라 산화물 또는 탄화물로써 주로 사용된다. 표 4는 토륨의 물리적 특성을 보여준다.
표 4. 토륨의 물리적 특성
2.2 합금 연료
합금 연료(alloy fuel)는 여러 금속연료의 단점을 보완할 목적으로 개발되어 조사시험을 거져 실용성 여부가 결정된다. 우라늄 합금 연료의 경우, 우라늄 연료의 조사 중 핵분열에 따른 스웰링(swelling)을 완화할 목적으로 2가지 방향으로 개발되었다. 하나는 α-U의 결정학적 이방성을 개량하기 위해 등방성의 γ-U이 되도록 한 U-10wt%Mo합금이며, 또 하나는 미량의 합금원소를 첨가하여 α-U의 스웰링을 개선한 것이다. 그 외에도 분산형 금속연료, U-Pu-Zr합금 연료 등이 있다
(1) γ 합금 우라늄 연료
체심입방정 원소를 다량 첨가하여 저온까지 γ 상을 안정화시켜 등방성의 γ 합금을 만든다. 통상 5~16%의 Mo을 첨가한다. Mo의 첨가로 재료의 강도는 좋아지나, 연료 중심온도는 상대적으로 낮아진 융점으로 인해 제약을 받는다. 그러나 약 10%의 Mo을 첨가한 U-Mo 합금 연료가 개발되어 고속로에 사용된 실적이 있다.
(2) 개량 우라늄 합금 연료
개량 우라늄 합금 연료는 천연 우라늄에 200~500 ppm의 Fe, 500~1200 ppm의 Al등을 첨가해 주조하여 만드는 것으로 β-급냉처리, α-소둔처리를 한다. UAl3, U6Fe 등의 미세한 입자가 α-U 상 중에 석출하여 α-U도 미세해지고 방향성이 없어져 기계적강도가 증가하며, 이로 인해 스웰링(swelling)에 대한 저항성이 금속 우라늄에 비해 2배 이상 좋아진다. 현재 흑연 감속로, CO2가스 냉각로의 연료로 사용되고 있다.
(3) 분산형 금속 연료
열전도성, 내식성이 좋은 Al 금속 중에 UAl3, UAl4, UAl2 등의 미세한 금속간화합물(intermetallics) 입자를 분산(dispersion)시킨 연료이다. 우라늄 중량 %는 20-40%이나 Al, U의 중량비는 9배 이상 차이가 있으므로 부피상으로는 대부분이 Al이다. 따라서 분산만 완전하다면 이방성도 없고 핵분열생성물의 영향도 주위의 Al 기지에 의해 방지된다. 고농축 우라늄을 사용한 U-Al 합금이 연구용 원자로 연료로 많이 사용되었으나, 최근에 핵비확산 정책의 강화로 저농축 우라늄을 사용한 USiχ-Al 분산형 연료인 U3Si2-Al 또는 U3Si-Al 연료가 사용되고 있다.
(4) U-Pu-Zr 합금 연료
고속로 연료로 U-Zr U-(8~9)wt%Pu-10wt%Zr 및 U-5wt%Fs (Fissium, 고온야금 재처리후 잔존하는 핵분열생성물) 등의 합금 연료도 일부 사용되었다. 특히 U-15wt%Pu-10wt%Zr 합금은 밀도가 14.4g/cm3으로 무거우며 증식 성능이 우수하다. 또한 스테인리스강과의 공정점이 약 810℃로 높아 668℃까지는 장시간에 걸쳐 스테인리스강과의 공존성이 좋으며, 단시간적으로는 고온까지도 사용될 수 있는 특성이 있다.
2.3 세라믹 연료
(1) 산화물 연료
우라늄 산화물(oxide)에는 UO2, U4O9, U3O8 및 UO3가 존재하며, UO2가 과잉의 산소를 고용해서 UO2+x로 된다. Pu의 산화물에는 PuO2와 Pu2O3가 있다. UO2와 PuO2는 전율 고용체를 형성하므로 고속증식로 연료로서 혼합핵연료인 (Pu, U)02를 사용한다. 이산화우라늄(UO2)은 원자로에서 냉각재로 사용하는 물과 공존성이 좋으며, 융점도 표 5에서 보는 바와 같이 높다. 그리고 고온에서도 상변태가 일어나지 않아 안전성이 좋으므로 높은 출력 밀도로 연소시킬 수 있다. 이러한 장점으로 이산화우라늄은 열전도도가 탄화물 연료나 질화물 연료에 비해 좋지 않음에도 불구하고 경수로와 중수로에서 연료로 사용하고 있다.
표 5. 핵연료의 주요 물성 비교표
그림 3은 U-O계 상태도를 보여준다. 우라늄은 3가에서 부터 6가까지 4개의 원자가를 가질 수 있으므로 U-O계에는 20여종 이상의 화합물이 존재한다. 그러나 이 중에서 열역학적으로 안정한 화합물은 UO2, U409, U3O8, UO3 등 4개이며, 준 안정한 화합물로는 U3O7, U2O5 등이 있다. 우라늄 산화물이 용융되면 조성이 다른 2개의 액체로 존재하는데, 공융점은 2450℃이며 공융점에서의 O/U비는 1.18이다.
그림 3. U-O 상태도
U-O계 산화물의 결정구조는 크게 입방정계 (UO2, U409), 정방정계 (U3O7) 그리고 사방정계 (α- U3O8) 등 3종류로 구분된다. UO2는 그림 4와 같이 형석(CaF2)형 면심 입방결정 구조를 가지며, 단위 격자당 4개의 우라늄 원자와 8개의 산소 원자를 갖고 있다. UO2에서 산소 함유량이 증가하면 U4O9이 되는데, U4O9의 기본 결정 구조는UO2와 동일하다. 그러나 U409의 결정구조는 64(4x4x4)개의 UO2 단위격자에 64개의 과잉 산소 원자가 규칙적으로 배열한 초격자(supper lattice)로 α, β, γ 등 3개의 상이 모두 입방 결정구조를 갖고 있다. U3O7은 U2O9의 산화 과정에서 나타나는 화합물로 3개의 상이 있으며 모두 정방 결정이지만 c 축과 a 축의 비인 c/a가 약 간씩 다르다. U3O8는 UO2 다음으로 잘 알려져 있는 우라늄 산화물로 α, β, γ 상 등 3개의 상을 갖고 있는데, 저온상인 α-U3O8는 200℃ 이상에서 α’-U3O3로 변한다. U3O8는 α 상과 β상의 결정구조가 모두 사방격자인데, 다만 3개축 a, b, c 사이의 축비만 다르다, 그리고 UO3는 U-O계 산화물 중에서 산소를 가장 많이 고용하는 산화물로 α, β, γ, δ, ε, η 6개의 상이 있으며 600℃ 이상에서는 U3O8로 분해되는데, UO3에 서는 γ 상이 가장안정하다.
그림 4. UO2의 결정구조
(2) 탄화물 연료 탄화물 연료인 UC는 UN과 같이 밀도가 크고, 열전도성이 좋기 때문에 핵연료로 관심을 끌고 있다. 우라늄 탄화물에는 UC, U2C3 및 UC2 등 3개의 금속간화합물이 있다. 이중 UC에 대한 융점, 결정구조, 격자상수, 밀도 등의 기본 물성은 표 5에 함께 제시되어 있다. UC는 O2, N 등과 친화력이 강하기 때문에 제조 취급상 매우 주의를 요한다. 열전도도는 산화물보다 8~10 배가 크기 때문에 큰 열출력이 기대된다.
(3) 질화물 연료 질화물 UN 은 밀도가 크고 열전도도도 크나 N 의 열중성자 흡수단면적이 크기 때문에 열중성자로에서는 이용 가능성이 적지만 고속증식로의 연료로 주목을 받고 있다. 질화우라늄에는 UN, U2N3, UN2 등 3개의 금속간화합물이 있으며 U2N3 에서는 α상, β상 등 2개의 상이 있다. 이들 기본 물성은 표 5에서 보는 바와 같다. 질화물 연료는 산화물 연료보다는 열전도도가 높지만 탄화물 연료에 비해서는 상당히 낮다. 그러나 온도 상승에 따라 감소하지 않고 오히려 증가하여 800℃에서는 탄화물 연료와 비슷한 값을 갖는다.
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인용정보
본 내용은 가동원전 재료열화 대처 연구 및 원자력 신소재개발에서 중추적 역할을 수행한 한국원자력연구원 원자력재료연구부 소속 홍준화 박사님의 저서 “원자력재료” 중 일부를 발췌 및 정리한 것입니다. 본 내용을 인용하시려면 다음의 서지사항을 사용하시기 바랍니다.
- 홍준화, “원자력재료”, 한스하우스, 2012
- J. H. Hong, “Nuclear Materials,” Hanshouse, 2012