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핵연료 기술개발 동향 및 전망
양창국 한전원자력연료(주) 사장 원자력산업회의 월레조찬 강연
2004년 03월 13일 (토) 09:13:24 전력신문 webmaster@epnews.co.kr
원자력산업회의 월례조찬회가 지난 13일 대전 한국원자력연구소에서 열렸다. 이 날 조찬회에서는 양창국 한전원자력연료(주) 사장이 핵연료 기술개발 동향과 전망을 주제로 강연을 했다. 강연 내용을 요약 게재한다

금년은 세계 최초의 원자력발전소인 소련의 오브린스크 발전소가 상업운전에 들어간지 50주년이 되는 해이다. 지난 반세기 동안 세계 여러 나라는 반핵의 거센 저항을 받으며 화석연료 대체에너지원으로 원자력발전소 건설을 꾸준히 추진해 2003년 말 현재 총 33개국 444기의 원전이 운전 중이며 그 용량도 37만4900MWe로 세계 전력의 15%를 담당할 만큼 성장했다. 그러나 상당기간 원자력발전소의 신규건설은 한 중 일 극동 3개국과 동구권 등 몇 개 나라를 제외하고 멈춰 있다. 최근 유럽에서는 EPR의 건설 움직임이 살아나고 미국에서도 3~4년 내 신규 원전 건설이 가시화 될 것이라는 밝은 전망을 언급하는 등 긍정적인 면도 있으나 독일 등 일부 국가는 아예 원자력을 폐쇄하는 프로그램을 진행하는 등 화석연료 대체에너지로서 원자력의 위상이 흔들리는 조짐도 보이고 있다.
미국 등은 신규 원자력발전소를 건설하는 대신에 운전 중인 원자력발전소의 수명을 연장하고 발전소 가동률과 출력을 높이는 등 기존 발전소의 효율을 극대화하는 방향으로 원자력 프로그램을 추진하고 있다.
104기의 원전을 운영하고 있는 미국의 경우 2003년 말 현재 19기 원전의 수명연장 인허가를 받았으며 향후 3년 내에 50% 이상의 원전이 수명 연장을 추진할 것으로 예상된다. 미국은 출력증가 프로그램의 추진으로 4000MWe의 추가 용량을 확보하게 됐다. 그에 따라 2010년부터 원자력발전 용량의 감소가 예상됐던 미국은 그 시기가 2030년으로 늦춰졌다.
발전소의 가동률도 높아져 세계 원자력발전소 평균 가동률은 1991년 67.8%에서 2002년 78.9%로 11.1%P나 높아져 총 4만MWe 이상의 추가 용량을 확보한 효과를 얻게 됐다.
원자력발전소의 출력증강을 위해 운전 여유도를 증가 시키고 발전소 가동률 향상을 위해 장주기 운전방식을 도입하는 등 발전소 측 요구조건을 충족시켜 핵연료 시장 경쟁에서 살아남기 위해 핵연료 주기의 경제성을 높이는 성능 개선을 역동적으로 추진하고 있다.
우리나라는 농축기술의 국산화 계획은 없으나 핵연료 성형가공분야의 국산화를 1970년대부터 추진했으며 국산화 추진기관인 한전원자력연료주식회사를 1982년 11월 설립했다. 원자력연료(주)는 1988년에 연산 200톤 규모의 경수로 핵연료 성형가공 시설을 준공해 국산화를 달성했다. 중수로 핵연료 성형가공 분야는 원자력연구소가 1978년 프랑스에서 도입한 연산 10톤 규모의 시작공장을 개조해 1986년 연산 100톤 규모의 시설을 가동하기 시작하면서 국산화를 이뤘다. 1998년 원자력연료는 연산 200톤 규모의 경수로 연료 가공시설을 증설하고 연산 400톤 규모의 중수로 성형가공시설을 준공했다. 그에 따라 원자력연구소에서 운영중이든 100톤 규모의 중수로 가공시설은 폐쇄했다.
원자력연료는 경수로와 중수로 성형가공분야를 국산화할 때 해외에서 설계와 제조 기술을 도입했으나 그 후 기술자립을 위한 노력을 계속, 현재는 기술을 자립한 단계이다.
경수로 원자로용 핵연료 제조기술은 독일 SIMENS-KWU에서, 웨스팅하우스 형 원자로용 핵연료 설계기술은 전신 미국 웨스팅하우스사에서, 한국형 원자로 핵연료 설계기술은 전신 ABB-CE사로부터 기술을 도입했으며, 현재 기술 도입사에서 개발한 핵연료인 RFA(Robust Fuel Ass'y, 웨스팅하우스형 원자로, 17x17형 핵연료)와 GUARDIAN 연료(한국형 원자력발전소)를 한국수력원자력 발전회사에 공급중이다.
중수로형 핵연료 제조기술은 카나다 CGE사로부터 도입하였다.
원자력연료는 개량된 핵연료 개발을 위한 기술개발을 웨스팅하우스사(영국 BNFL 소유)와 공동으로 정부의 기술개발기금을 지원받아 추진 중이다.
한국표준형 원자력발전용 개량핵연료 PLUS-7 개발은 1999년부터 시작해 2002년 12월 시범집합체 4개 다발을 울진 3호기에 장전하여 시험연소 중에 있으며, 2005년 말까지 정부의 인허가를 받아 2006년부터 상용공급 예정이다. 웨스팅하우스형 원전용 개량 연료 NGF의 개발은 2001년 시작해 2005년도에 시범집합체를 장전하고 2007년까지 정부의 인허가를 받아 2008년부터 상용 공급할 계획으로 연구개발을 추진하고 있다.
PLUS-7 과 NGF의 주요 개선 내용은 지지격자의 설계개선으로 열적 여유도를 향상시키고 기계적 건전성을 향상시키며 지지격자의 강도를 강화해 내진 뿐 아니라 영역평균 연소도를 5만5000 MWD/MTU 까지 높이는 것이다.
PLUS-7 이나 NGF 상용 공급시 연소도 증가 등으로 주기당 최소 10억 이상 경제적 이익이 예상되며 열적여유도가 향상돼 안전성이 증가됨은 물론 추가 여유도를 활용해 원자력발전소의 출력을 증강할 때 유리하다.
그 동안 축적된 기술을 바탕으로 핵연료 피복관을 제외한 핵연료 부품을 전량 국산화했으며 일부 부품을 수출하고 있다. 인력도 해외에 수출하고 있다.
핵연료 피복관 국산화는 1단계로 정부의 지원을 받아 원자력연료가 주축이 되어 산학연 공동으로 기술을 개발하며 그 기술을 바탕으로 2009년 국산화할 예정이다.
우리나라 경수로 원자력발전소는 웨스팅하우스에서 도입한 웨스팅하우스 형 원자로와 ABB-CE에서 도입한 한국형원자력발전소가 있으며 각 원자로에 공급하는 핵연료를 설계하는 컴퓨터 코드를 별도로 도입하여 이원화 시스템을 유지하고 있다. 미국 웨스팅하우스와 ABB-CE가 영국 BNFL에 흡수 동일회사가 됐으며 신설 웨스팅하우스는 이원화된 컴퓨터 코드를 일원화하기 위한 연구를 하고 있으며 원자력연료는 웨스팅하우스와 공동으로 설계 코드의 통합을 추진하고 있다.
PLUS-7과 NGF 다음 세대의 개량연료 개발을 위한 개념을 정립하고 있으며 우리 고유의 기술 확보를 위한 계획도 추진 중이다.
핵연료 서비스 기술의 자립을 위한 연구도 병행, 손상연료의 검사 및 수리기술을 확보하고 핵연료 손상원인 규명을 위한 정밀 측정기술도 개발 중이다.
중수로의 경우 원자력연구소는 캐나다 AECL과 공동으로 CANFLEX 연료를 개발하고 있다. 선출력을 줄이고 안전성을 높이기 위해 현 다발당 37봉 핵연료의 설계를 바꿔 다발당 43 연료 CANFLEX를 개발, 시제품을 월성원자력발전소에 장전한 바 있다.
세계 핵연료 성형가공 분야는 웨스팅하우스( 미국 웨스팅하우스와 ABB-CE를 영국 BNFL사가 구입 통합)와 프라마톰 ANP(프랑스 프라마톰과 독일 SIMENS-KWU의 합작 회사) 2대 메이저로 통합돼 세계 시장 쟁탈전을 벌이고 있으며 시장에서 살아남기 위한 기술개발에 많은 투자를 하고 있다.
최초의 상용 원자력발전을 시작한 지 이제 50년이 됐다. 그 동안 품질이 보장된 안전한 핵연료를 개발하기 위해 핵연료 파손 메커니즘을 종합 분석, 파손의 원인을 규명하고 그 대책을 수립해 핵연료의 성능이 많이 개선됐다. 하지만 아직도 이물질 등에 의한 파손의 사례가 발생하고 있어 그에 대한 대책을 반영한 핵연료 설계개선은 계속 되고 있으며 핵연료 경제성과 핵비확산성을 제고하기 위한 노력도 계속 되고 있다.
원자력연료는 북한에 건설 중인 KEDO 원전을 포함 우리나라 국내 수요의 전량을 공급하고 있으며, 국제 경쟁력이 있는 연료를 국내 시장에 공급하기 위해 원가절감과 기술개발에 박차를 가하고 있다. 핵연료 기술개발에 많은 투자비가 소요되므로 기술개발에 국제협력을 모색, 웨스팅하우스와는 PLUS-7과 NGF를 공동개발하고 있으며 프라마톰과는 양해각서를 체결 기술제휴를 하고 있다.
핵연료는 화석연료를 대체할 수 있는 준국산 에너지이다. 정부는 에너지 자립의 차원에서 핵연료 기술개발에 많은 지원을 하고 있으며 산학연이 합심해 우리 기술 확보에 노력해야 할 것이다.
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