미국, 중대사고 동안 핵연료의 거동 분석

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-04
신형 포톤소스(Advanced Photon Source, APS)를 활용하여 미국 에너지부(Department of Energy, DOE) 산하 알곤 국립연구소, 브룩해븐 국립연구소와 스토니 브룩 대학의 재료공학과 연구원들이 노심이 용융될 때 이산화우라늄(uranium dioxide, UO2)의 원자구조가 변한다는 사실을 발견했다. 이산화우라늄은 기존 대부분 원자로의 주요 핵연료로 사용된다. 그러나 이산화우라늄의 녹는점은 매우 높기 때문에 용융되었을 때의 상태에 대해서 거의 알려진 바가 없다. 지금까지 매우 높은 녹는점과 용융시 화학 반응으로 인하여 용융된 이산화우라늄의 연구를 방해했다. 기본 정보의 부족으로 인하여 원자로의 지르코늄 클래딩과 강철 격납용기와 함께 용융된 이산화우라늄의 반응과 관련된 문제를 평가하는데 어려움이 있었다. 연구팀은 이산화우라늄이 용융될 때 우라늄 주변의 산소 원자의 수가 8개에서 6~7개로 변하며, 다른 재료와의 반응하는 방식 역시 변한다는 것을 발견했다. 그러나 많은 기존 모델이 고온에서 발생하는 원자 구조의 변화와 빠른 산소 동특성을 설명하지 못한다. “고온에서 UO2의 거동을 결정하는 것은 중대사고 동안 원자로 안전에 대한 이해도를 향상시키는데 필수적이다”라고 알곤 국립연구소 화학공학부의 Mark Williamson 박사는 말했다. “전세계 어떤 곳도 용융을 유지하는 컨테이너에서 오염되지 않고 3000도씨에서 용융된 UO2의 구조를 안전하게 측정하는 능력을 가지지 못한다”고 알곤 국립연구소 엑스레이 과학부의 Chris Benmore는 말했다. 연구원들은 뜨거운 결정상태나 용융상태에서 UO2를 연구한다. 이러한 실험에서 연구원들은 UO2의 구조를 연구하기 위해서 APS의 고에너지 싱크로트론 엑스레이 빔에 의존한다. 이 UO2는 아르곤 기체 내부에 공중부양되고 레이저빔으로 가열된다. 엑스레이 실험은 APS를 이용하여 수행되었다. 이 프로젝트는 DOE 과학국의 DOE 소규모 사업혁신 연구 프로그램과 알곤 국립연구소의 연구개발 프로그램에서 자금지원을 받았다. “용융된 이산화우라늄의 구조와 동특성(Molten uranium dioxide structure and dynamics)”이라는 제목의 논문이 사이언스 잡지에 실렸다. “우리 그룹은 UO2와 같이 용융된 물질을 연구하기 위해서 혁신적인 싱크로트론을 계속해서 사용할 계획”이라고 블룩해븐 국립연구소와 스토니 블룩 대학과의 합동 연구를 진행하는 John Parise 박사는 말했다. “다음 단계는 APS에서 사용된 기존 설정의 수정을 요구하는 다른 대기에서 용융된 물질을 연구하는 것”이라고 그는 덧붙였다. Parise 박사는 UO2를 연구하는데 사용되는 장치를 제작한 Materials Development사의 동료를 포함한 연구 그룹이 예를 들어 브룩해븐 국립연구소의 싱크로트론 Light Source II의 엑스레이 Powder Diffraction 빔라인에 설치될 수 있는 차세대 공중부양 장비의 설계에 대해서 협의하고 있다. “해야 할 많은 일들이 남아 있다. 다른 많은 재료가 용융된 상태에서의 거동을 이해하는 것이 중요하다. 이론은 이해하는데 좋은 방법이지만 이론학자들은 가능한 현실적인 환경인 용융된 상태에서 원자들이 서로 어떻게 반응하는지에 대한 자료가 필요하다”고 Parise 박사는 말했다. http://www.labmanager.com/news/2014/11/what-happens-to-nuclear-reactor-fuel-during-a-severe-event?fw1pk=2