핵연료 기술개발 동향· 전망
건설이 끝난 원자력발전소의 고정비는 확정되어 있으므로 운전 중인 원자력발전소의 원가절감을 위하여 핵연료주기비의 절감은 원자력 발전원가 절감의 주요한 요소가 되고 있다. 또한 핵연료 주기 중 농축과 재처리 분야는 핵확산과 관련된 예민한 분야로 그 개발 및 전수에 국제적인 제약이 따르고 있다.
그에 따라 핵연료 기술개발은 안전성과 경제성을 향상시키는 한편 발전소 운영에 편의성을 높이고, 방사성폐기물 발생량을 줄이며, 핵확산 저항성을 높이는 방향으로 추진되고 있다.
우라늄 농축의 경우 1980년대에서 1990년대까지 원심분리법과 기체확산법 농축기술이 양립하며 시장을 양분해 왔다. 기체확산법 농축기술은 건설 투자비가 높고 운영시 막대한 에너지가 소비되나 운영보수비가 비교적 적게 드는 장점이 있으며, 원심 분리법은 모듈식 건설로 건설비가 저렴하고 시설 증설이 용이하나 운영보수비가 많이 드는 단점이 있다.
기체확산 농축법을 사용하던 미국과 프랑스 등은 다음 세대 농축기술로 레이저 농축 기술을 선정하였다. 미국과 프랑스는 레이저 농축기술은 경제성에서 기존 농축방법보다 월등히 유리하고, 농축분리수가 커서 농축 후 폐기되다시피 한 감손우라늄을 농축할 수 있는 등 장점이 있다고 선전하며 다투어 기술개발을 추진하였으나, 레이저를 이용한 우라늄 분리 기술을 우라늄 농축 기술로 사용하는 것을 포기하였다.
미국은 20여 억불을 투자하여 1970년대부터 개발하던 원심분리 농축기술을 1985년 포기하고, 레이저 농축기술을 다음 세대 농축기술로 선정하고 개발에 열을 올리며 상용화 계획까지 발표하였으나 2000년대에 들어서 그 계획을 포기하고, 원심분리법 농축기술 개발의 재개를 추진하고 있다. 한편으로 URENCO(영국, 독일, 네델랜드 합작회사)는 미국에 동회사 기술인 원심 분리법을 이용한 농축시설 건설을 위하여 미국 회사와 합작으로 LES 사를 설립하고 부지 확보와 인허가를 추진하고 있다.
레이저 농축기술을 개발하던 프랑스도 레이저 농축기술 개발을 포기하였으며, 기체확산법 농축 시설을 운영중인 EURODIF(프랑스, 이태리, 벨기에, 스페인 합작회사)는 운전시 막대한 전력이 소요되는 Besse 기체확산식 농축시설을 대체하여 URENCO의 원심분리 농축기술을 도입하여 카다라쉬에 2005년 4월 건설을 시작하여 2008년 준공 목표로 건설을 추진 중이다.
핵연료 성형가공분야가 선행핵연료주기비 중 차지하는 비중은 20-25% 수준으로 크지 않으나 핵연료 주기비를 결정하는 가장 중요한 핵연료 설계를 수행하는 분야로서 원자력발전 프로그램을 가진 대부분의 나라에서 국산화를 달성하여 그 공급능력이 수요를 크게 초과하여 시장 확보경쟁이 핵연료 주기성분 중 가장 치열하며, 각 공급사는 경쟁력 있는 핵연료 공급을 위하여 연구개발에 많은 투자를 하고 있다.
핵연료 성형가공분야의 중요 기술 개발방향은 핵연료의 건전성을 높여 안전성을 제고하기 위하여 지지격자, 상하단 고정체 등 구조물질의 설계를 개선하며, 경제성을 제고하기 위하여 중성자 경제성이 높은 재질을 개발하고, 독물질봉을 개선하며 , 저누설 장전 모형 개발 등 노심관리 기술을 개선하고, 경제성과 핵비확산성을 높이기 위하여 연소도를 높이고 있다.
사용후 방출되는 핵연료의 평균연소도가 1980년대 30,000MWD/MTU 수준에서 2000년대 55,000 MWD/MTU 수준으로 높아져 핵연료가 원자로 내에 머무는 기간이 약 3년에서 약 5년으로 길어짐에 따라 부식 등에 강한 핵연료 피복재의 개발도 박차를 가하고 있다.
핵연료 영역 평균연소도를 50,000MWD/MTU 수준까지 높이는 것이 경제성 측면에서는 가장 유리한 것으로 분석되고 있으나 미국 등에서 70,000MWD/MTU 수준으로 계속 연소도를 높이려고 연구개발을 하고 있으며, 그 이유는 핵비확산성을 높이기 위한 것으로 판단된다. 연소도가 높아짐에 따라 사용후 핵연료 속에 초 우라늄 계열 원소의 농도가 높아져서 사용후 핵연료의 재처리가 현재 기술로 어려우며, 사용후 핵연료 속에 잔존하는 플루토늄의 핵분열성 물질의 함유비가 낮아져 핵확산 위험이 줄어든다.
사용후 핵연료의 방출연소도가 높아지면 고준위 방사성폐기물인 사용후 핵연료의 방출량이 줄어드는 효과도 있다.
영역 평균 방출 연소도가 35,000MWD/MTU에서 55,000MTU으로 증가할 시 450일 주기 길이를 상정할 때, 매주기 교체 핵연료 다발수는 35,000MWD/MTU의 경우 농축도 3.7% 신연료 84다발, 55,000MWD/MTU의 경우 농축도 4.9% 신연료 54다발이 소요되어 사용후 핵연료 방출량이 약 50% 줄어든다.
우리나라는 농축기술의 국산화 계획은 없으나, 핵연료 성형가공분야의 국산화를 1970년대부터 추진하였으며, 국산화 추진기관인 한전원자력연료주식회사를 1982년 11월 설립하였다. 한전원자력연료주식회사는 1988년에 연산 200톤 규모의 경수로 핵연료 성형가공 시설을 준공하여 국산화를 달성하였으며, 중수로 핵연료 성형가공 분야는 원자력연구소가 1978년 프랑스에서 도입한 연산 10톤 규모의 시작공장을 개조하여 1986년 연산 100톤 규모의 시설을 가동하기 시작하면서 국산화를 이루었다. 1998년 한전원자력연료주식회사는 연산 200톤 규모의 경수로 연료 가공시설을 증설하고, 연산 400톤 규모의 중수로 성형가공시설을 준공하였으며, 그에 따라 원자력연구소에서 운영중이든 100톤 규모의 중수로 가공시설은 폐쇄하였다.
한전원자력연료주식회사는 경수로와 중수로 성형가공분야를 국산화할 때 해외에서 설계와 제조 기술을 도입하였으나, 그 후 기술자립을 위한 노력을 계속하여 현재는 기술을 자립한 단계이다.
경수로 원자로용 핵연료 제조기술은 독일 SIMENS-KWU에서, 웨스팅하우스 형 원자로용 핵연료 설계기술은 前身 미국 웨스팅하우스사에서, 한국형 원자로 핵연료 설계기술은 前身 ABB-CE 사로부터 기술을 도입하였으며, 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 CGE 사로부터 도입하였다.
한전원자력연료 주식회사는 개량된 핵연료 개발을 위한 기술개발을 웨스팅하우스사(영국 BNFL 소유)와 공동으로 정부의 기술개발기금을 지원받아 추진 중이다.
한국표준형 원자력발전용 개량핵연료 PLUS-7 개발은 1999년부터 시작하여 2002년 12월 시범집합체 4 다발을 울진 3호기에 장전하여 시험 연소 중에 있으며, 2005년 말까지 정부의 인허가를 받아 2006년부터 상용공급 예정이며, 웨스팅하우스형 원전용 개량 연료 NGF의 개발은 2001년 시작하여 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 강화하여 내진 강도를 높이며, 영역평균 연소도를 55,000 MWD/MTU 까지 높이는 것이다.
PLUS-7 이나 NGF 상용 공급시 연소도 증가 등으로 주기 당 최소 10억 이상 경제적 이익이 예상되며, 열적여유도가 향상되어 안전성이 증가됨은 물론 추가 여유도를 활용하여 원자력발전소의 출력을 증강할 시 유리하다.
그 동안 축적된 기술을 바탕으로 핵연료 피복관을 제외한 핵연료 부품을 전량 국산화하였으며 일부 부품을 해외 수출하고 있다. 인력도 해외에 수출하고 있다.
핵연료 피복관 국산화는 1단계로 정부의 지원을 받아 한전원자력연료주식회사가 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 흡수되어 동일 회사가 되었으며, 신설 웨스팅하우스는 이원화된 컴퓨터 코드를 일원화하기 위한 연구를 하고 있으며 한전원자력연료주식회사는 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 병행하여, 손상연료의 검사 및 수리기술을 확보하고, 핵연료 손상원인 규명을 위한 정밀 측정기술도 개발 중이다.
중수로의 경우 원자력연구소는 캐나다 AECL과 공동으로 CANFLEX 연료를 개발하고 있다. 선출력을 감소하여 안전성을 높이기 위하여 현 다발당 37봉 핵연료의 설계를 바꿔 다발당 43 연료 CANFLEX를 개발하여 시재품을 월성원자력발전소에 장전한바 있다.