연구용 원자로
연구용 원자로는 의학, 농학, 약학, 생명공학, 재료과학, 고고학, 환경공학 등과 같은 과학기술의 발전뿐만 아니라 우리 생활과 연관되어 삶의 질 향상에 기여하여 왔다. 암치료용 방사선입자 개발, 치료 및 진단용 의약품 개발, 고부가가치 및 산업용 동위원소 개발, 기능성 요업재료 개발, 고온초전도체 개발, 신자성체 물질 개발, 생체구조규명, 고연소도 핵연료 개발, 고속원자로 구조재 개발, 방위산업 항공복합체 결합분석 및 개발, 고열엔진 결함분석, 유체의 상전이현상 분석, 핵반응 단면적 측정, 뇌종양 치료, 극미량 원소 분석등등 무궁무진한 응용 연구를 가능하게 해왔다. 하지만 최근 전세계적으로 기존 연구로 설비들은 빠르게 노후화 되고 있으며 신규로 설치중이거나 계획 중인 연구로 수가 빈약한 상황으로 향후 운영할 수 있는 연구용 원자로는 급격히 감소될 것으로 예상된다. 지금까지 전 세계적으로 약 670여 기의 연구로가 건설되었고 그 중 약 230여 기의 연구용 원자로만이 운전되고 있으며 8기 미만의 신규 연구로가 건설 중이거나 계획 중이다. 이처럼 노후된 연구로를 대체할 새로운 연구로에 대한 수요가 조금씩 증가하고 있고, 기획, 설계, 건설에 긴 시간이 소요되는 연구로의 특성상 미리 대비해야 하는 필요성이 대두되고 있다.
한국원자력연구소는 열출력 30 MW의 연구용 원자로인 하나로를 설계하고 건설하여 1995년에 첫 임계를 달성하였다. 하나로는 다양한 스펙트럼의 높은 중성자속을 제공해주고 있으며, 핵연료 및 원자로 재료의 조사시험, 동위원소 생산, 방사화분석, 중성자 도핑, 중성자 빔을 이용한 실험 등에 이용되고 있다. 출력운전이 시작된 후에 성공적인 운영 및 활용으로 이용자 및 이용 수요가 급격히 증가하여 왔다. 이러한 하나로의 설계 및 이용 경험을 기반으로 해외 진출이 이루어져 2009년 12월에는 요르단 연구로 건설사업을 수주하였고 2016년까지는 신형 연구로의 개발을 마쳐 세계 연구용 원자로 시장 공략을 가속화하려는 전략을 가지고 있다. 새 연구로는 기본적으로 여러 가지 목적을 충족시킬 수 있는 다목적 연구로 이면서 상업적, 기술적으로 경쟁력을 갖추어야 하고 국내의 차세대 연구로 수요에 대비할 수 있도록 성능이 우수해야 한다. 따라서 연구용 원자로의 경쟁력 비교 인자로 출력 대비 중성자속, 안전성 및 경제성, 등을 고려하고 있으며, 이를 위해서는 연구로에 쓰일 기능재, 구조재들의 선정과 평가 또한 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.
연구로용 재료 노내 검증 필요성
연구로 설계의 인허가 과정시 연구용 원자로에서 사용되는 주요 재료들(반사체 및 구조재료)의 조사후 물성 변화에 대한 자료가 요구되며, 신형 연구로 개발 및 수출에 있어서 자체적으로 생산 및 평가된 물성 자료의 확보가 중요하게 고려된다. 연구용 원자로의 경우 제작목적에 따라 노내 환경이 제각각 다르며 따라서 재료 선정에 있어서 다양성이 존재한다. 재료선정에 대한 안전성 평가를 보고서와 논문에서 언급된 물성 변화를 토대로 일차적으로 평가되고 있으며 감시 시험등을 통하여 검증하고 있다. 미국, 프랑스, 일본, 카나다, 독일, 아르헨티나, 러시아, 중국 등이 자체적인 연구로 설계, 건설, 사업관리 능력을 가지고 있으며 프랑스 CEA, 일본 JAEA, 중국 CIAE 등이 원자력 종합연구 기관으로서 우수한 연구로 설계, 건설 능력과 함께 재료 선정 및 평가에 있어서도 이미 오래전부터 재료별 조사 물성 평가 자료를 생산 및 보유하고 있다.
국내에서는 한국원자력연구원이 주도적으로 연구용 원자로를 가동하고 있으며 원전재료, SMART 및 미래형 원전재료에 대한 노내 검증 연구를 수행하고 있다. 하지만 개발 및 수출추진중인 연구용 원자로의 주요 재료에 대한 중성자 조사에 따른 물성 변화 자료가 부족하다. 특히 주요 반사체 재료인 흑연의 경우 연구로 환경하 (가동온도 및 조사량)의 조사 성장 자료의 부재가 문제점으로 제기된 바 있다. 따라서 요르단 연구용 원자로의 안전성 평가를 위한 가동 운전 온도 및 중성자 조사 환경하의 재료물성변화 자료 확보가 매우 시급한 상황이다. 또한 신형 연구용 원자로 개발에 사용될 수 있는 주요 반사체 및 구조재료들의 노내 환경하의 재료 물성변화 자료 확보가 필요하며 연구용 원자로 환경하의 재료 물성 평가를 위한 조사캡슐 제작을 포함한 평가 기반 기술 확보 측면에서도 중요하다.
추진 현황 및 기대효과
현재 요르단 연구용 원자로 조사 환경 평가 및 조사 시험 계획은 그림 1과 같다. 조사시험 대상 소재로는 지르칼로이-4, 베릴륨, 흑연이 있으며 이러한 소재의 조사재를 이용하여, 인장, 조사성장, 경도, 열전도도 등을 평가할 예정이다. 이러한 조사 및 조사후 시험을 통해 예측되는 결과를 그림 2-4에 요약하였다. 조사시험을 위한 시편은 그림 5에 도시된 바와 같은 조사용 캡슐에 장착되어 하나로에 장입될 것이다.
그림 1. 요르단 연구용 원자로 조사시험 계획
그림 2. 베릴륨 조사후 특성평가 기대치 (조사팽윤)
그림 3. 흑연 조사후 특성평가 기대치 (치수변화)
그림 4. 지르칼로이4 조사후 특성평가 기대치 (인장강도)
그림 5. 조사시험용 캡슐의 개략도
연구로용 재료 노내 검증시험을 통해 요르단 연구로 노심에 최적인 재료의 선정을 통한 재료비 절감효과를 기대할 수 있고, 요르단 연구용 원자로에서 사용되는 주요재료들의 노내 검증 시험을 통한 원자로의 안정성 확보를 할 수 있다. 연구용 원자로 환경하의 연구용 원자로 재료들의 물성평가 기반 확보 반사체 및 구조재료들의 물성 DB 확보를 통한 신형 연구용 원자로 개발 및 수출 활성화 기여할 것이다.