사용후핵연료 저장용기 핵심 소재 국산화...고성능화로 해외시장 공략

- 원자력硏, 전량 수입에 의존했던 중성자흡수재 개발해 5개국 특허 출원 -

- 해외 대비 성능 수 배 높아, 세계 5조원 규모 시장 게임체인저로 활약 기대 -

국내 연구진이 원전 사용후핵연료 저장용기의 핵심 소재인 중성자흡수재 국산화에 성공했다. 해외 소재보다 수 배 이상 성능이 높아 전 세계 5조 원 규모에 달하는 중성자흡수재 시장의 게임 체인저가 될 것으로 기대된다.

□ 한국원자력연구원 재료안전기술연구부 천영범 박사팀은 해외 소재 대비 핵반응 제어와 구조적 지지 성능이 모두 향상된 중성자흡수재 ‘코나스(KONAS)¹’를 개발했다고 16일 밝혔다.

ㅇ 중성자흡수재는 원전 핵연료봉에서 나오는 중성자를 흡수해 핵분열을 억제하는 물질이다. 사용후핵연료 조밀저장대나 건식 저장시설에서 저장용기의 핵심 소재로 쓰인다. 국내에서는 미국, 일본 등에서 독점적으로 생산하는 고가의 중성자흡수재를 전량 수입해 사용하고 있다.

□ 해외에서 상용화된 알루미늄 붕소탄화물 기반 중성자흡수재는 중성자 흡수 단면적이 크면서도 핵분열을 하지 않아 핵반응 제어 성능은 매우 우수하나, 부서지기 쉬워 구조적 지지 성능이 취약하다는 단점이 있다. 이 때문에 3중벽 구조의 금속 지지체를 만들고 그 안에 중성자흡수재를 삽입하는 데 필요한 구조를 추가하게 되는데, 이러한 3중벽 구조는 붕괴열 방출 효율이 떨어지고 복잡한 설계로 제작비용이 증가하는 문제가 있었다.

□ 이에 연구팀은 지지체 없이 단일벽 바스켓 구조를 구현하면서 핵반응 제어와 구조적 지지 성능을 동시에 높일 수 있는 원천 소재 개발에 집중했다. ㅇ 먼저 열역학 계산과 시뮬레이션을 이용한 기초연구를 통해 외부 충격에 강한 타이타늄 금속 기반 최적의 중성자흡수재 물질 조합을 도출했다. 약 400여 종에 대한 합금 제조와 평가를 통해 최적화된 합금 조성과 열처리 기술을 확보하는 데 성공했다.

□ 이 시편을 국내 유일의 연구용 원자로인 하나로에서 검증한 결과, 중성자흡수 성능이 해외 소재 대비 1.6배 이상 높음을 실험적으로 확인했다. 또한 변형에 저항할 수 있는 힘의 크기인 항복강도는 2배, 끊어지지 않고 늘어나는 비율인 연신율은 20배 높은 것도 확인했다. ㅇ 단일벽 구조의 단일 소재만으로도 핵반응 제어 성능과 구조 지지 성능을 동시에 구현할 수 있음을 보여준 것이다. 이를 통해 안전성과 경제성을 크게 높일 수 있다.

□ 현재까지 전 세계 사용후핵연료 발생량은 약 40만 톤 수준으로, 저장을 위한 건식 저장 시장 규모는 170조 원 이상이며 저장시설의 성능과 경제성을 좌우하는 중성자흡수재 소재 시장 규모도 5조 원에 달한다. 미국, 일본 등 시장 선도 국가에서도 이러한 성능을 갖는 중성자흡수재 개발을 추진해 왔지만 개발에 성공하지 못한 점을 고려하면, ‘코나스’가 세계 중성자흡수재 시장의 게임 체인저 역할을 할 것으로 기대된다.

□ 연구팀은 세계 최고 성능을 지닌 중성자흡수 구조재의 물질조성 및 제조방법에 대해 국내 특허 출원을 마쳤고, 이번 달 5개국에 해외 특허를 출원할 예정이다. 내년 말까지 제조공정 최적화 등을 추가로 진행한 후 국내 산업체와 연계하여 상용화를 추진할 계획이다.

□ 주한규 한국원자력연구원장은 “앞으로 국내 산업체 기술이전을 추진해 KONAS가 세계 중성자흡수재 시장을 선도할 수 있도록 적극 지원하겠다”라고 밝혔다.