핵연료 일반

핵연료는 중성자와 반응하여 핵분열을 일으킴으로써 에너지를 생산하는 역할을 한다. 경수로의 핵연료로 저농축우라늄(3~5 w/o ²³⁵U)을 사용하고 있으며, 원자로의 특성에 따라 천연우라늄, 플루토늄, 우라늄과 플루토늄의 혼합물 등을 사용하기도 한다. 핵연료의 기계·구조적 모형도 원자로에 따라 다르다. 핵연료는 핵분열로 생성된 방사성물질을 함유하고 고온 고압 등의 원자로 운전환경에서 장시간 체류하게 되므로 구조적 건전성 유지는 안전의 핵심요소이다.

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  가압경수로 핵연료 집합체
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  비등수형로 핵연료 집합체
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  가압중수로 핵연료 집합체
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  고속로 핵연료 집합체
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  가스냉각로 핵연료 볼

핵연료 물질

핵연료 물질은 열중성자와 반응하여 핵분열을 일으키며 열을 발생하는 핵분열 용이물질(fissile material)과 열중성자와 반응하여 핵분열을 일으키지 않지만 핵분열 용이물질로 바뀌는 핵분열 연료물질(fertile material)로 구분한다. 자연에서 채취할 수 있는 핵연료 물질은 우라늄(U)과 토륨(Th)이 있으며, 플루토늄(Pu)은 원자로 운전 중 ²³⁸U이 중성자를 흡수하여 생성된다.

• 우라늄(U) : 자연에 존재하는 핵분열 용이물질은 ²³⁵U로 전체 우라늄 양의 약 0.7%를 차지한다. 대부분의 우라늄은 핵분열 원료물질인 ²³⁸U로서 중성자를 포획하면 두 번의 베타(β) 방사붕괴를 통해 핵분열 용이물질인 ²³⁹Pu로 변환된다. 우라늄을 경수형 원자로의 연료로 사용하려면 단위부피당 ²³⁸U의 비율을 줄이고 ²³⁵U의 함량을 높이는(3~5 w/o) 농축 과정이 필요하다. 가압중수로의 연료로는 ²³⁵U의 함량이 0.7%인 천연 우라늄을 이용하며 고속로 경우에는 많은 핵분열 중성자를 생성하기 위하여 ²³⁵U를 약 20w/o까지 농축하여 사용한다.
• 플루토늄(Pu) : 플루토늄은 자연에 극히 미량만 존재하며, 핵연료로 사용되는 플루토늄은 사용후핵연료의 재처리 공정에서 분리하여 추출한다. 발전용 원자로의 사용후핵연료에는 1% 내외의 ²³⁹Pu가 존재한다. 플루토늄은 핵무기 원료로 전용될 위험성이 있어서 플루토늄을 추출하는 재처리는 제한된 국가에서만 가능하다. 우리나라에서는 사용후핵연료를 금속형태로 환원시킨 후 우라늄과 함께 초우란 원소들을 회수하여 고속로 연료로 사용하는 파이로프로세싱 기술을 개발 중이다.
• 토륨(Th) : 자연 상태에서는 핵분열 원료물질인 ²³²Th로 존재하며, 매장량은 우라늄의 4배로 추산된다. ²³²Th는 열중성자를 포획한 후 핵분열 용이물질인 ²³³U으로 변환된다. 핵확산(proliferation) 저항성이 높고, 미임계(subcritical) 운전으로 안전성이 높을 것으로 기대되나, 핵연료로 사용하기 위해 별도의 중성자 공급원이 필요하며 이에 대한 연구가 진행 중이다.

핵연료 형태에 따른 종류

• 산화물 핵연료 : 전 세계 경수로 및 중수로의 발전용 원자로에서 이산화우라늄(UO₂)을 핵연료로 사용한다. UO₂는 금속 핵연료에 비해 열전도도와 우라늄 함량이 낮은 단점이 있지만, 고온에서 화학적으로 안정적이고, 녹는점이 높으며(2,850℃), 결정 구조 내에 핵분열 생성물을 포집할 수 있고, 특히 냉각재인 물과의 양립성이 매우 우수하다. 일반적으로 UO₂로만 핵연료로 사용되나, UO₂를 PuO₂와 혼합한 핵연료도 사용되며 이를 혼합 산화물 핵연료(mixed oxide fuel, MOX)라고 한다.
• 금속 핵연료 : 금속 핵연료는 산화물 핵연료에 비해 열효율이 좋다는 장점이 있지만, 융점이 낮아 높은 온도에서 잘 버티지 못하는 단점이 있으며, 특히 냉각재인 물과 낮은 온도에서 반응한다는 단점이 있다. 따라서 낮은 온도에서 운용하는 연구로나 소듐(Na) 등 액체 금속을 냉각재로 사용하는 고속로 등의 핵연료로 사용된다. 연구로 핵연료로는 U-Si 금속화합물이 주로 사용되며, 우라늄 밀도가 높은 U-Mo 합금이 우리나라의 기장 연구로에 최초로 사용될 예정이다. 고속로 핵연료로는 U-Pu-10%Zr 합금이 사용되는데, 우라늄 함량과 증식 성능이 우수하며, 특히 피복재로 사용하는 스테인리스강과의 공정점이 높아 높은 온도에서 사용할 수 있는 장점이 있다.
• 세라믹 핵연료 : 세라믹 핵연료는 질화물과 탄화물 핵연료를 의미한다. 밀도와 열전도도가 금속핵연료에 비견될 만큼 높고 융점은 산화물핵연료와 유사하다. 그러나 산소나 물을 만나게 되면 쉽게 산화되며, 연소 중 부피 팽창이 크다는 단점이 있어서, 주로 기체를 냉각재로 사용하는 고온 가스로의 핵연료로 연구되고 있다.
• 기타 핵연료: 핵연료가 액체상으로 존재하여 냉각재 역할을 동시에 하는 용융염 핵연료가 제안되고 있으나, 화학적인 안전성 향상 등 여러 가지 해결해야 할 문제들이 있다.

피복재(Cladding Material)

• 피복재는 핵연료를 감싸 핵분열에 의해 발생하는 방사성물질들을 차단하며, 핵연료에서 발생하는 열을 냉각재로 전달하는 역할을 한다. 경수로에서는 UO₂ 소결체를 금속으로 만든 피복관 튜브에 채운 후 양쪽을 금속 마개로 밀봉하여 핵연료 봉을 만든다. 경수로 핵연료의 피복재로 초기에는 스테인리스강이 주로 쓰였으나 현재는 내부식성이 강하고 중성자 흡수가 작은 지르코늄(Zr) 합금을 사용한다. 고속로용 핵연료 피복재로는 고온 강도가 높고 우라늄 금속과의 화학적 안정성이 우수한 스테인리스강이 사용된다.

핵연료 건전성(Nuclear Fuel Integrity)

• 원자로에서 연소된 핵연료에는 방사능물질이 함유되어 있으므로 어떠한 상황에서도 구조적 건전성 유지가 매우 중요하다. 핵연료 소재는 손상이 일어나지 않는 운전 범위, 정상운전 환경에서 성능 한계와 수명, 그리고 사고 시 안전성 등이 고려되어야 한다. 후쿠시마원전 사고 후 핵연료의 안전성이 큰 심을 끌고 있으며, 사고저항성 핵연료 (Accident tolerant fuel, ATF) 개발 연구가 전 세계적으로 활발히 진행 중이다.