[금요일에 과학터치] 핵연료 기술 개발 이야기

사진=원자로 용기 구조. 동국대 원자력 및 에너지공학부. 김규태 교수팀 제공

우리나라 원자력발전소의 효시는 고리 1호기다. 1978년 고리 1호기가 가동된 이래 순차적으로 원자력발전소가 건설됐다. 1980년대 중반까지는 국내 원자력발전소에 필요한 핵연료 물량이 그리 많지 않아 전량 해외에서 수입했다. 그러나 핵연료 소요량이 증가함에 따라 핵연료 전문기관인 한전원자력연료(주)를 1982년 설립하고 해외 업체로부터 기술을 도입해 핵연료 설계, 제조 기술을 국산화하게 됐다.

1989년 고리 2호기에 최조로 국산 핵연료를 공급했다. 하지만 2주기 연소 초기에 국산 핵연료가 대량으로 손상되는 일이 발생했다. 이를 계기로 핵연료의 안정성과 경제성을 혁신하고 핵연료 기술 수출에 제약이 없는 핵연료 원천기술을 개발하기 위한 핵연료 기술 개발 로드맵을 만들게 됐다.

핵연료 기술 개발 로드맵은 2단계로 구성돼 있다. 1단계는 국내에 핵연료 기술 개발 인프라가 구축돼 있지 않은 점을 감안해 해외 업체와 공동으로 개량 핵연료를 개발하는 것이다. 2단계에서는 1단계에서 확보한 개발 인프라를 토대로 핵연료 원천 기술을 개발하는 것으로 계획했다.

이러한 기술 개발 로드맵에 따라 교육과학기술부의 지원 아래 1999년 한국표준형 개량핵연료(PLUS7) 개발에 착수, 2006년 개발을 완료하면서 PLUS7 핵연료를 한국표준형 원전에 상용 공급하기 시작했다. 2004년에는 웨스팅하우스형 개량 핵연료(ACE7) 개발을 시작, 2008년도에 완료하고 상용 공급에 들어갔다.

또 해외 수출에 제약이 없도록 핵연료 원천 기술이 확보된 고유핵연료(HIPER) 개발에도 손을 뻗었다. 2005년 지식경제부의 지원으로 개발에 착수한 후 2011년부터 한국표준형 원자력발전소에서 시범집합체 8다발을 사용해 노내 검증시험을 수행하고 있다.

이처럼 고성능 핵연료 개발을 통해 원자력발전의 경제성과 안전성을 혁신하고 핵연료 기술의 국제경쟁력을 확보할 수 있게 됐다. 한국표준형 개량핵연료(PLUS)는 UAE에 건설 중인 APR1400원전 4기에 사용될 예정이다.

동국대(경주캠퍼스) 원자력 및 에너지공학부 김규태 교수는 1997년 1월 1일부터 2009년 2월 28일까지 한전원자력연료(주)에 근무하면서 한국표준형 개량핵연료(PLUS7) 개발과 수출선도형 고유핵연료 개발 과제 책임자를 역임했다. 한국표준형 개량핵연료 개발은 연간 약 20여 명의 연구원을 3년 동안 미국 현지에 파견해 웨스팅하우스와 공동으로 추진됐다. 이 과제를 성공적으로 완수, 김규태 교수는 2002년 4월 한국원자력산업회의(KAIF)와 한국원자력학회(KNS)로부터 원자력기술 대상을 받았다.

이번 강연에서는 우선 원자력발전소의 구조와 핵연료 형상, 원자력발전소의 5중 방어개념을 살펴본다. 이러한 이해를 토대로 핵연료 기술 개발 로드맵에 따라 수행한 개량 핵연료 개발, 고유 핵연료 개발 전략과 개발 목표를 소개한다. 특히 핵연료 기술 개발을 위한 3대 핵심 요소인 개발 인력, 개발시설, 개발 기술에 대해 실제 개발사례를 제시해 이해를 높일 예정이다.

더불어 핵연료과 직·간접적으로 연관이 있는 방사선에 대한 기초 상식과 현재까지 발생한 원전 사고에 대해 살펴보고 이를 통해 원전의 신뢰성을 함께 고민해볼 것이다. 또 최근 일본의 원전 정책 추이에 대해 간략하게 안내한다.