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핵연료
핵연료(Nuclear fuel)는 원자력을 일으키기 위해 꼭 필요한 연료이다. 원자로에서 에너지를 만들어내기 위해선 무조건 연료가 필요한데, 여기에 필요한 놈이 핵연료이다. 앞에건 넓은 뜻의 핵연료를 말하는 것이고, 좁은 뜻으로는 일반 핵분열 원자로에 박아넣는 우라늄, 플루토늄, 토륨을 가리키는 말이다.
핵연료는 무거운 원소가 포함되어 있어, 이 원소가 핵분열로 인한 연쇄 반응으로 인해서 에너지를 발생시키게 된다. 대다수의 핵연료는 ²³⁵U(3.5%), ²³⁸U(96.5%)가 섞인 것이 주로 사용되는데, 이 핵연료의 뺑뺑이를 가리켜 핵연료 주기라고 부른다.
또한 많지는 않지만 Pu²³⁹가 들어간 핵연료도 쓰이고 있다.
핵연료 주기[편집]
핵연료 주기, 혹은 핵연료 사이클은 어찌보면 연료봉의 일대기라고 부를 수 있다. 실제로 불에 타는 것이 아니고, 여러가지 공정들을 거쳐야 되기에 공장들이 꽤 많다. 대체적으로 핵연료 주기는 프론트엔드, 서비스, 백엔드 단계를 거치게 된다. 보통 백엔드 단계의 재처리를 거치지 않으면 열린 연료주기라고 부르고, 재처리를 거치게 되면 닫힌 연료주기라고 부른다.
프론트엔드(선행핵주기)[편집]
이 과정에선 우라늄을 캐낸 후에 가공하여 핵연료로 만드는 공정을 말하는 단어이다. 먼저 우라늄은 원위치용액채광법이라는 최신 기술을 이용하여 채굴하는데, 간단하게 말해서 그냥 빨대다. 빨대에다가 광석을 녹이는 산을 집어넣은 후에 저 아래 있는 빨대로 광석을 우린 다음에 다시 광석으로 되돌려놓는 방식이다. 이렇게 광석으로 되돌린 다음에는 제련을 하게 된다.
제련을 하게 되면, 저렇게 노란 가루로 바뀌게 되는데, 저걸 정광 혹은 옐로케이크라고 부른다. 생김새와는 다르게 저걸 케이크인줄 알고 먹으면 죽는다. 옐로케이크의 주요 우라늄 성분인 U-238은 피부에 치명적이지 않은 알파선을 배출한다. 단순히 노출된다고 해서 큰일이 발생하지는 않으나 저걸 흡입하게 되면 심각하게 피폭당한다. 분자식은 U₃O₈. 이 상태로 전세계 시장에 팔리게 된다. 절대 광석째 팔지 않는다.
그런 후에 경수로에 들어갈 연료는 필수적인 공정인 농축을 하게 된다.(중수로에서는 농축이 필요 없음) 먼저 저놈을 기체 6불화 우라늄(UF₆)으로 전환시킨 후에 재처리 공장에서 기체확산법을 통해 분리하거나, 원심분리기를 통해 농축하게 되는데(소수지만 레이저를 이용한 분리도 있음), 여기서 떨어져나간 잉여 우라늄238을 가리켜 열화우라늄이라고 부른다. 농축 공정에는 몇가지 종류가 있는데, 미국과 영국등의 국가는 기체확산법이라고 작은 구멍뚫린 판에 가스를 여러번 통과시켜 235U 를 뽑아내고, 일본에서는 원심분리기 법이라고 원심분리기에 우라늄 가스를 집어넣어 뺑뺑이 돌려서 ²³⁵U 를 뽑아낸다.
그후에 이 UF₆을 다시 고체로 전환후 사진에서 보이는 자그마한 세라믹형태의 실린더형 덩어리로 만드는데, 이것을 펠릿이라고 부른다. 월성에 쓰이는 CANDU같은 천연 우라늄을 사용하는 경우 옐로케이크에서 바로 이걸로 변환시켜 사용하기도 한다. 그런후 이 펠릿을 지르코늄 합금같은 녹안슬고 단단한 금속에 집어넣고 주위를 헬륨으로 감싼후에 용접해주면 연료봉이라고 부르는 놈이 만들어진다. 이 연료봉을 경수로에서는 14X14(WH Type), 16X16(CE Type), 17X17(WH Type)개를 묶어서 연료 집합체를 만드는데, 보통 원자로에 이런 것들이 최소 140개에서 많게는 300개 가까이 들어간다. 중수로에서는 천연상태의 우라늄을 펠렛으로 만들어 흑연 도포가 되어있는 연료봉에 펠렛을 잠입, 연료다발로 제작한다.
서비스 단계[편집]
이렇게 만들어낸 핵연료를 원자로에다 장전한다.
벡엔드 단계(후행 핵주기)[편집]
후행핵주기란 사용후핵연료의 저장, 운반, 재처리 처분을 말한다. 원자로에서 다 쓴 연료봉을 처리하는 단계로, 3가지방법이 있다.
하나는 그냥 원자력 발전소내에(SFP, Spent Fuel Pond 또는 Spent Fuel Pool) 짱박아 넣는 임시보관인데, 붕소를 탄 물에다가 푹 담가두거나 건조(건식)저장설비에 짱 박아둔다. 물론 여기가 다차면 다음 단계로 보내버린다.
두번째론 핵연료 재처리가 있다. 요새 들리는 MOX라는 연료를 만드는데 사용되는데, 이 MOX라는 놈은 혼합산화물이란 놈으로 플루토늄과 열화우라늄을 섞은 연료다. 혹은 이놈에서 아직 연소되지 않은 우라늄을 추출해서 다시 프론트엔드 단계로 보내버리기도 한다.
맨 마지막으론 처분장에 짱박아버리는 건데, 여기에 대한건 방사성 폐기물 항목을 보기 바란다.
대한민국에서의 핵연료 주기[편집]
원자력 발전소 강국인 대한민국에선 핵무기를 만들 위험이 있기에 옐로케이크를 산 다음, 이걸 다른 국가에 맡겨 농축을 한 후에 다시 들여와 성형/가공하여 원자로에서 사용하고 이걸 다 쓰게 되면 보관실에 짱박아둔다. 그러나 주위 국가들은 정광을 수입만 한다 뿐이지(이것도 일본만), 다 닫힌 연료주기를 시전하고 있는 추세이다. 이에 열받은 한국은 파이로프로세싱이란 재처리 기술을 재처리란 단어를 빼버리고 도입하려고 한다.
핵연료의 요건[편집]
일반적으로 핵연료 재료(nuclear fuel material)로서 요구되는 성질은 아래와 같다.
- 핵분열성 물질의 원자밀도가 높은 재료
- 열전도율이 좋은 재료
- 핵분열 생성물(fission products)의 밀폐와 유지성이 좋은 재료
- 고온에서 화학적으로 안정적인 재료
- 융점 또는 변태점이 높은 재료
- 방사선 조사손상이 적은 재료
금속 또는 금속합금 연료는 (1), (2), (3)의 특성이 우수하여 원자력 개발 초기에 활발한 연구가 있었으나, (4), (5), (6)의 특성이 열악하여 연구용 원자로의 연료로서 주로 사용되고 있다. 산화물 세라믹 연료는 (4), (5), (6)의 특성이 우수하여 현재 발전용 원자로의 연료로 널리 사용되고 있다. 한편, 금속 연료의 장점과 산화물 세라믹 연료의 장점을 겸비한 것으로 탄화물 연료 및 질화물 연료가 있으며, 차세대 첨단 연료로 주목받아 이의 실용화를 위한 많은 연구개발이 진행되고 있다.
핵연료의 종류[편집]
핵연료 물질은 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th)의 3가지 원소가 해당되며, 동위원소에 따라 크게 핵분열성 물질(fissile material)과 핵연료 원료물질(fertile material)로 구분할 수 있다. 전자는 중성자를 흡수하여 핵분열 반응을 잘 일으키는 물질로써 U-233, U-235, Pu-239, Pu-241이 해당되며, 후자는 중성자를 흡수하여 핵분열성 물질로 변환되는 물질로써 Th-232, U-234, U-238, Pu-240이 해당된다. 그러나 자연에서 얻을 수 있는 핵분열성 물질은 U-235 뿐이며 그나마 천연 우라늄에 0.7 %만이 존재할 뿐, 나머지는 U-238이다. 그러므로 현재 대부분의 발전용 원자로는 천연우라늄 중의 U-235를 일부 농축하여 사용한다. 원자로에 장전되는 핵연료의 형태는 원자로의 용도나 개발 목적에 따라 다르며, 그 종류별 주요 성분을 표1에 나타내었다. 그러나 현재로서는 고체 연료만이 실용화되고 있다. 우리나라에서 발전용 원자로의 핵연료로 사용되고 있는 가압경수로 및 중수로 핵연료를 오른쪽 그림에 보였다.
금속연료[편집]
우라늄(Uranium, U)[편집]
천연 우라늄에는 U-234, U-235와 U-238 등 3 가지 동위원소가 존재 하며, 이 중에서 핵분열성 물질인 U-235만이 핵연료로서 사용되고 있다. 금속 우라늄(U)은 밀도(19.06 g/cm³)가 대단히 높은 중금속으로 산화되지 않은 상태에서는 은백색을 띠고 있지만 산화가 잘 일어나므로 공기 중에서는 산화 정도에 따라 검은 다갈색 또는 검은색으로 변한다. 그리고 융점이 1132℃ 로 3개의 상이 존재하는데 상온에서 662℃ 까지는 사방정(orthorhombic)의 α 상으로 결정학적 이방성을 가지며, 662~772℃ 까지는 정방정(tetragonal)의 β 상으로 이 또한 결정학적 이방성을 가진다. 그리고 772-1132℃ 까지는 체심입방정(body- centered cubic)의 γ 상으로 등방성을 가진다. 핵연료로써 일반적으로 사용되는 것은 α-U과 그 합금이다. a-U은 상변태시 결정구소가 사방정 ⇄ 정방정으로 바뀌면서 체적이 약 1.2% 변한다. 그러므로 금속 우라늄 연료의 사용온도가 상변태 온도인 662℃ 이하로 제한된다. 금속 우라늄의 결정구조, 격자상수 및 밀도가 표2에 그리고 α-U의 결정구조가 그림 2에 제시되어 있다.
플루토늄(Plutonium, Pu)[편집]
플루토늄(Pu)은 자연계에 존재하지 않으며 U-238의 핵변환에 의해서 생성되는 원소로, 공기 중에서 산화되어 금속 특유의 은백색 광택을 잃고 카키(dull yellow)색으로 변한다. 금속 플루토늄은 융점이 640℃로 표 3에서 보는 바와 같이 α(단사정), β(체심단사정), γ(사방정), δ(면심입 방정), δ‘(정방정), ε(체심입방정)의 6개 상(phase)을 가진다. 표에서 보는 바와 같이 640℃의 구간까지 다섯 번의 상변태를 하면서 체적변화도 따르기 때문에 온도에 따라서 매우 불안정한 재료이므로 순수 Pu 금속은 핵연료로 실용화되는 것은 어렵다.
토륨(Thorium, Th)[편집]
토륨(Th)은 자연계에 존재하는 원소이나 핵연료성 물질로 원자로에 직접 사용하지 못하고 U-223으로 핵변환 시킨 후 핵연료로 사용할 수 있다. 금속 토륨은 융점이 높으며(1750℃) 1400℃ 이하에서는 α상 (면심 입방정)으로, 1400℃ 이상에서는 β상(체심입방정)으로 두 상이 존재한다 . 모두 대칭성이 좋아 우라늄, 플루토늄과는 달리 등방성이며 성형가공성도 좋고 95%까지 냉간가공이 가능하다. 그리고 열전도도가 높은 반면에 열팽창률이 작아서 연료로써 좋으나 화학적으로 반응성이 강하여 부식에는 약하다. 대기 중에서 산화하여 은백색에서 흑회색으로 변한다. 핵연료로서는 금속이나 합금형태가 아니라 산화물 또는 탄화물로써 주로 사용된다. 표4는 토륨의 물리적 특성을 보여준다.
합금연료[편집]
합금 연료(alloy fuel)는 여러 금속연료의 단점을 보완할 목적으로 개발되어 조사시험을 거져 실용성 여부가 결정된다. 우라늄 합금 연료의 경우, 우라늄 연료의 조사 중 핵분열에 따른 팽윤(swelling)을 완화할 목적으로 2가지 방향으로 개발되었다. 하나는 α-U의 결정학적 이방성을 개량하기 위해 등방성의 γ-U이 되도록 한 U-10wt%Mo합금이며, 또 하나는 미량의 합금원소를 첨가하여 α-U의 스웰링을 개선한 것이다. 그 외에도 분산형 금속연료, U-Pu-Zr합금 연료 등이 있다
γ 합금 우라늄 연료[편집]
체심입방정 원소를 다량 첨가하여 저온까지 γ 상을 안정화시켜 등방성의 γ 합금을 만든다. 통상 5~16%의 Mo을 첨가한다. Mo의 첨가로 재료의 강도는 좋아지나, 연료 중심온도는 상대적으로 낮아진 융점으로 인해 제약을 받는다. 그러나 약 10%의 Mo을 첨가한 U-Mo 합금 연료가 개발되어 고속로에 사용된 실적이 있다.
개량 우라늄 합금 연료[편집]
개량 우라늄 합금 연료는 천연 우라늄에 200~500 ppm의 Fe, 500~1200 ppm의 Al등을 첨가해 주조하여 만드는 것으로 β-급냉처리, α-소둔처리를 한다. UAl₃, U6Fe 등의 미세한 입자가 α-U 상 중에 석출하여 α-U도 미세해지고 방향성이 없어져 기계적강도가 증가하며, 이로 인해 팽윤(swelling)에 대한 저항성이 금속 우라늄에 비해 2배 이상 좋아진다. 현재 흑연 감속로, CO2가스 냉각로의 연료로 사용되고 있다.
분산형 금속 연료[편집]
열전도성, 내식성이 좋은 Al 금속 중에 UAl₃, UAl₄, UAl₂ 등의 미세한 금속간화합물(intermetallics) 입자를 분산(dispersion)시킨 연료이다. 우라늄 중량 %는 20-40%이나 Al, U의 중량비는 9배 이상 차이가 있으므로 부피상으로는 대부분이 Al이다. 따라서 분산만 완전하다면 이방성도 없고 핵분열생성물의 영향도 주위의 Al 기지에 의해 방지된다. 고농축 우라늄을 사용한 U-Al 합금이 연구용 원자로 연료로 많이 사용되었으나, 최근에 핵비확산 정책의 강화로 저농축 우라늄을 사용한 USiχ-Al 분산형 연료인 U₃Si₂-Al 또는 U₃Si-Al 연료가 사용되고 있다.
U-Pu-Zr 합금 연료[편집]
고속로 연료로 U-Zr U-(8~9)wt%Pu-10wt%Zr 및 U-5wt%Fs (Fissium, 고온야금 재처리후 잔존하는 핵분열생성물) 등의 합금 연료도 일부 사용되었다. 특히 U-15wt%Pu-10wt%Zr 합금은 밀도가 14.4g/cm³으로 무거우며 증식 성능이 우수하다. 또한 스테인리스강과의 공정점이 약 810℃로 높아 668℃까지는 장시간에 걸쳐 스테인리스강과의 공존성이 좋으며, 단시간적으로는 고온까지도 사용될 수 있는 특성이 있다.
세라믹 연료[편집]
산화물 연료[편집]
우라늄 산화물(oxide)에는 UO₂, U₄O₉, U₃O₈ 및 UO₃가 존재하며, UO₂가 과잉의 산소를 고용해서 UO₂+x로 된다. Pu의 산화물에는 PuO₂와 Pu₃O₃가 있다. UO₂와 PuO₂는 전율 고용체를 형성하므로 고속증식로 연료로서 혼합핵연료인 (Pu, U)0₂를 사용한다. 이산화우라늄(UO₂)은 원자로에서 냉각재로 사용하는 물과 공존성이 좋으며, 융점도 표 5에서 보는 바와 같이 높다. 그리고 고온에서도 상변태가 일어나지 않아 안전성이 좋으므로 높은 출력 밀도로 연소시킬 수 있다. 이러한 장점으로 이산화우라늄은 열전도도가 탄화물 연료나 질화물 연료에 비해 좋지 않음에도 불구하고 경수로와 중수로에서 연료로 사용하고 있다.
아래 그림은 U-O계 상태도를 보여준다. 우라늄은 3가에서 부터 6가까지 4개의 원자가를 가질 수 있으므로 U-O계에는 20여종 이상의 화합물이 존재한다. 그러나 이 중에서 열역학적으로 안정한 화합물은 UO₂, U₄0₉, U₃O₈, UO₃ 등 4개이며, 준 안정한 화합물로는 U₃O₇, U₂O₅ 등이 있다. 우라늄 산화물이 용융되면 조성이 다른 2개의 액체로 존재하는데, 공융점은 2450℃이며 공융점에서의 O/U비는 1.18이다.
U-O계 산화물의 결정구조는 크게 입방정계 (UO₂, U₄0₉), 정방정계 (U₃O₇) 그리고 사방정계 (α- U₃O₈) 등 3종류로 구분된다. UO₂는 아래그림 같이 형석(Ca₂)형 면심 입방결정 구조를 가지며, 단위 격자당 4개의 우라늄 원자와 8개의 산소 원자를 갖고 있다. UO₂에서 산소 함유량이 증가하면 U₄0₉이 되는데 U₄0₉의 기본결정 구조는 UO₂와 동일하다. 그러나 U₄0₉의 결정구조는 과잉 산소 원자가 규칙적으로 배열한 초격자(supper lattice)로 α, β, γ 등 3개의 상이 모두 입방 결정구조를 갖고 있다. U₃O₇은 U₂O₉의 산화 과정에서 나타나는 화합물로 3개의 상이 있으며 모두 정방 결정이지만 c 축과 a 축의 비인 c/a가 약간씩 다르다. U₃O₈는 UO₂ 다음으로 잘 알려져 있는 우라늄 산화물로 α, β, γ 상 등 3개의 상을 갖고 있는데, 저온상인 α-U₃O₈는 200℃ 이상에서 α’-U₃O₃로 변한다. U₃O₈는 α 상과 β상의 결정구조가 모두 사방격자인데, 다만 3개축 a, b, c 사이의 축비만 다르다, 그리고 UO₃는 U-O계 산화물 중에서 산소를 가장 많이 고용하는 산화물로 α, β, γ, δ, ε, η 6개의 상이 있으며 600℃ 이상에서는 U₃O₈로 분해되는데, UO₃에 서는 γ 상이 가장 안정하다.
탄화물 연료[편집]
탄화물 연료인 UC는 UN과 같이 밀도가 크고, 열전도성이 좋기 때문에 핵연료로 관심을 끌고 있다. 우라늄 탄화물에는 UC, U₂C₃ 및 UC₂ 등 3개의 금속간화합물이 있다. 이중 UC에 대한 융점, 결정구조, 격자상수, 밀도 등의 기본 물성은 표 5에 함께 제시되어 있다. UC는 O₂, N 등과 친화력이 강하기 때문에 제조 취급상 매우 주의를 요한다. 열전도도는 산화물보다 8~10 배가 크기 때문에 큰 열출력이 기대된다.
질화물 연료[편집]
질화물 UN 은 밀도가 크고 열전도도도 크나 N 의 열중성자 흡수단면적이 크기 때문에 열중성자로에서는 이용 가능성이 적지만 고속증식로의 연료로 주목을 받고 있다. 질화우라늄에는 UN, U₂N₃, UN₂ 등 3개의 금속간화합물이 있으며 U₂N3 에서는 α상, β상 등 2개의 상이 있다. 이들 기본 물성은 표 5에서 보는 바와 같다. 질화물 연료는 산화물 연료보다는 열전도도가 높지만 탄화물 연료에 비해서는 상당히 낮다. 그러나 온도 상승에 따라 감소하지 않고 오히려 증가하여 800℃에서는 탄화물 연료와 비슷한 값을 갖는다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
