기장연구로

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기장연구로(기장로)는 부산광역시 기장군 일원(원자력의과학특화단지 내)에 건설 될 연구용원자로로 건설부지의 지역명칭을 따서 기장연구로로 불린다. 연구로는 원자력기술 이해의 출발 수단으로 널리 활용될 뿐만 아니라 방사성 동위원소 생산 및 재료개발 등 신 기술개발 등에 폭넓게 활용된다. 기장연구로의 주목적은 세계의 연구로 수요에 대비한 신기술 개발·검증으로 연구로 수출 경쟁력 강화, 의료 및 산업용 방사성동위원소의 국내 공급과 수출 및 원자력관련 연구개발 증진과 신산업 창출에 활용하는 것이다.

기장연구로 배경

세계 연구로 시장 전망은 기존 연구로의 노후화로 인한 대체 및 신규 수요로 인해 2050년까지 약 30~50기가 건설될 것으로 예측되고 있다. 원자력발전 도입과 방사선 융합기술 수요확대 전망은 거의 필수적으로 원자력기반기술 이해수단인 연구로 수요로 이어질 수밖에 없다. 현재 약 240여기의 연구로가 운영 중인데 60% 이상이 40년을 경과하였다. 또한 오랫동안 전 세계 의료용 방사성 동위원소를 생산해오던 연구로의 노후화(네델란드 HFR, 남아공 SAFARI-1)와 운전정지(캐나다 NRU, 프랑스 OSIRIS)에 따라 의료용 방사성동위원소의 공급 차질이 우려되고 있다. 원자력 선진국이 대형 상용원전에 관심을 집중하는 환경에서 연구로 분야는 우리에게 블루오션 틈새시장 상품이 될 수 있다. 이에 2012년 정부는 지방자치제와 협력으로 신기술을 대거 채택한 신형연구로를 개발·검증하고 또한 동위원소 생산 전용로 성격의 기장연구로를 건설하기로 결정했다. 기장연구로는 연구용 원자로 1기와 동위원소 생산 및 연구개발 시설, LEU 표적 및 Fission Moly 생산 시설, 중성자 조자시설 및 폐기물 처리시설 등을 포함하고 있다. 기장연구로는 「하나로」 연구로의 설계·건조와 요르단에 수출한 연구용원자로 개발·설계·건조기술과 경험을 토대로 원자로 노심과 주요계통 및 이용시설의 설계(한국원자력연구원), 원자로건물과 보조계통 등의 종합설계(한국전력기술(주), 대우건설 등), 원자로 설계 및 제작(두산중공업) 등 100% 우리기술로 설계·제작·건조되고 있다.

원자로 기술특성

기장연구로는 핵분열로 발생한 열을 강제 냉각시키는 방식의 고출력 연구로로 분류된다. 한국원자력연구원이 보유한 다목적연구로 「하나로」와는 달리 방사성동위원소 생산과 실리콘 단결정(대전력반도체 생산용) 중성자조사(照射)가 주목적이므로 특정목적 연구로로 분류된다. 기장연구로는 열출력 15MWt급(중성자속 3×1014 n/cm2·sec 이상)으로 저농축우라늄(235U 20w/o 미만, LEU: Low Enriched Uranium) 핵연료를 사용하여 국제 핵확산 저항성과 안전성 요건에 부합하도록 설계되었다. 또한 반도체용 웨이퍼 중성자조사에 필요한 고속중성자속(fast neutron flux)은 7×1010 n/cm2·sec 수준 이상을 확보하고 있다. 의료·산업용 방사성동위원소(99Mo, 131I, 192Ir) 생산을 위한 Fission Moly 생산시설과 대전력(大電力) 반도체용 실리콘(Si) 단결정의 중성자변환도핑(NTD: Neutron Transmutation Dopping) 조사시설 및 반도체 웨이퍼 고속중성자 조사시설 등을 갖추고 있으며 극미량 원소분석을 위한 방사화분석도 가능하다. 연구로 수출시장에서 기술경쟁력을 높이기 위해 기장연구로에서 검증될 핵심기술은 원심분무기술을 이용한 고밀도 판형핵연료기술, 하부구동형 제어봉장치기술, Fission Moly 생산기술, 대구경 실리콘 중성자 변환도핑기술 및 고속중성자 조사기술이다.

활용분야

연구로 목적은 핵분열 에너지를 이용하는 발전로와는 달리 핵분열로 발생한 중성자를 활용한다. 기장연구로는 의료·산업용 방사성동위원소 생산과 연구로 신기술을 개발·검증하는데 활용된다.

  • 판형핵연료 기술 : 우리나라는 차세대연구로용 판형핵연료의 재료인 U-Mo (우라늄-몰리브덴)분말 제조기술과 판형핵연료 제조기술을 개발하였다. U-Mo 핵연료는 우라늄 밀도가 높아 핵연료 소모량을 크게 절감할 수 있다. 기장로는 차세대 U-Mo 판형핵연료를 세계 최초로 적용한 사례로서 U-Mo 핵연료기술을 수출할 수 있는 기반을 제공할 것이다. 현재 운영 중 또는 건설 예정인 전 세계 연구용원자로 중에서 최소 3~4개 연구로(프랑스 JHR, 네델란드 PALLAS, 호주 OPAL, FRM-II)는 U-Mo 핵연료를 사용할 계획을 가지고 있다.
  • 하부구동형 제어봉장치기술 : 원자로 운전 중 빈번한 동위원소 시료교체가 필요한 연구로의 경우 노심상부 활용도를 높이기 위해 제어봉장치를 원자로 하부에 설치하는 하부구동형 제어봉 방식을 채택한다. 세계의 많은 연구용원자로들이 하부구동형 제어봉 방식을 채택 하고 있으나 우리나라에서는 적용사례가 없어 관련기술의 개발·검증이 필요하다. 「하나로」는 상부구동형 제어봉장치를 채택하였다. 하부구동형 제어봉장치 원천기술 개발은 기장연구로 의 활용성 증대뿐만 아니라 연구로 기술의 수출경쟁력을 크게 높여줄 것이다.
  • Fission Moly 생산기술 : 우리나라는 99Mo 생산용 저농축 우라늄 박판 표적 제조기술을 세계 최초로 개발하였으며 미국, 프랑스 등에 기술을 수출한 바 있다. 또한 기체형과 액체형 방사성동위원소 생산을 위한 공정과 분리기술도 개발하여 확보하고 있다. 기장연구로에 적용 가능한 공학 스케일의 공정개발 완료를 통해 고품위 의료용 방사성동위원소 생산 기술을 완성할 것이다. 이를 통해 국내 의료복지 향상과 국제적인 99Mo 공급난 해소에 기여할 것이다. 99Mo는 의료 진단용 방사성동위원소 99Tc m의 모(母)원소이다.
  • 대구경 실리콘 중성자 변환도핑기술 : NTD로 생산되는 반도체는 비저항 분포가 매우 균일하기 때문에 고전류를 사용하는 장치의 소자로 활용된다. 하이브리드/전기자동차의 제어, 풍력 및 태양광 발전의 에너지 생산과 분배, 전력 스마트그리드(Smart Grid) 등이 대표적인 활용분야이다. NTD 서비스를 해 오던 연구용원자로들의 노후화로 기존 연구로들은 NTD 서비스 용량을 확대하고 있으며, 신규 연구용원자로들은 대규모의 NTD 조사시설을 반영하고 있는 추세이다. 기장연구로는 세계 최초로 8~12인치 대구경 실리콘 단결정 조사시설을 채택하고 있다.
  • 고속중성자 조사(照射)기술 : 실리콘(Si) 웨이퍼의 고속중성자 조사는 자동차 전장부품과 산업용 반도체의 소형화, 고전력화, 집적화에 중요하게 응용된다. 전력 반도체의 수요가 급증하고 있으나, 실리콘 웨이퍼 조사가 가능한 연구로가 많지 않아 산업체의 수요를 충족시키지 못하고 있다. 우리나라에서는 고속중성자 조사기술과 관련한 이론적인 연구는 있었지만 실제 검증실험이 수행된 적은 없다. 그러나 이미 「하나로」 연구로를 이용하여 유사한 NTD 분야에서 세계적인 수준의 기술력과 경험을 확보하고 있으므로 기장연구로에서 관련기술을 성공적으로 확보할 수 있을 것으로 보인다. 웨이퍼 조사 기술력 확보와 검증은 조사서비스 제공을 통한 경제성 창출뿐만 아니라 수출용 원자로기술의 경쟁력 향상에도 기여할 수 있다.

※U-Mo : 우라늄 93%와 몰리브덴 7% 합금 물질

※Fission Moly : 핵분열시 핵분열생성물로 발생하는 99Mo

※99Mo : 질환 진단용 방사성동위원소인 99Tc m의 모핵종(핵의학 진단의 80% 담당)

※중성자 도핑 : 중성자를 이용한 핵변환을 통하여 부도체인 Si을 반도체로 만드는 과정

※「하나로」 : 1995년 2월부터 운영 중인 우리나라의 30MWt 다목적 연구용원자로

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