한국원자력연구원은 소듐냉각고속로(SFR)의 금속 핵연료 제조 과정에서 발생하는 용기와의 이상 반응을 차단할 수 있는 신소재를 개발했다고 16일 밝혔다.

SFR은 물이 아닌 액체 소듐(나트륨)을 냉각재로 사용하는 원자로 노형으로, 열효율과 안정성이 높아 대표적인 차세대 원자로로 꼽힌다.

사용후핵연료에서 추출한 초우라늄원소(TRU·우라늄보다 원자번호가 큰 넵튜늄·플루토늄 등 무거운 원소들)로 제조한 금속 핵연료를 원료로 사용할 수 있어 폐기물 저감에 기여할 수 있다.

금속 핵연료는 TRU를 용기에 담아 고온에서 녹인 후 사출해 만드는데, 사출 후 남은 TRU가 식는 과정에서 용기와 산화물 생성 반응을 일으킬 수 있어 추가 처리가 필요하다.

용기와 TRU 간 반응을 억제하는 상용 이트리아 소재 용기는 성능에 한계가 있다.

박상규 박사 연구팀은 이트리아에 란타넘족 원소(원자번호 57번에서 71번까지의 원소)를 첨가하면 기존 상용 소재보다 반응성이 현저하게 감소한다는 사실을 확인했다.

여러 후보 물질을 검토한 끝에 원자번호 60번 산화 네오디뮴을 이트리아와 1대 1 비율로 혼합한 뒤 초고온에서 가열해 네오디뮴-이트륨 복합 산화물 신소재를 개발했다.

신소재로 만든 용기에 TRU 대신 우라늄-지르코늄 합금을 넣고 실제 핵연료 제조공정과 동일한 1천500도에서 10분간 가열한 뒤 6시간 동안 냉각한 결과, 산화물 형성 반응이 나타나지 않았다.

약 10㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 두께의 희토류 원소가 침투한 모습이 관찰됐는데, 이는 기존 상용 소재의 반응 층 두께(150㎛)보다 훨씬 얇은 것으로 이상 반응을 차단하는 효과가 월등히 뛰어났다고 연구원 측은 설명했다.

김준환 선진핵연료기술개발부장은 "금속 핵연료 제조 공정 효율을 혁신적으로 개선해 사용후핵연료 재활용의 타당성을 확보하는 데 기여할 것"이라며 "원자력 분야뿐만 아니라 다양한 산업에서 활용될 수 있도록 노력하겠다"고 말했다.