핵연료

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

핵연료는 핵분열 원자로에서 사용되는 우라늄 기반의 산화물, 금속, 세라믹, 액체 형태 등으로 분류된다. 산화물 연료는 이산화 우라늄(UOX)과 혼합 산화물 연료(MOX)가 있으며, 금속 연료는 열전도율이 높지만 고온에 약하다. 세라믹 연료는 질화물 및 탄화물 연료가 있으며, 액체 연료는 용융염 연료와 우라닐 염 수용액 등이 있다. 핵연료는 연료봉 형태로 제작되어 원자로에 장전되며, 가압수형, 비등수형, CANDU, 마그녹스, TRISO, RBMK 등 다양한 원자로에 사용된다. 사용 후 핵연료는 방사성 물질 혼합물로, 장기간 높은 방사능 위험을 가지며, 핵융합 연료로는 중수소, 삼중수소, 헬륨-3 등이 연구되고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

핵연료 재처리 - PUREX
PUREX 공정은 사용후 핵연료 재처리를 통해 우라늄과 플루토늄을 회수하는 화학 공정으로, 트리부틸 포스페이트를 용매로 사용하여 우라늄과 플루토늄을 선택적으로 추출, 분리하지만 방사성 폐기물 발생 및 환경 오염 문제를 야기하여 대한민국에서도 핵확산 및 환경 문제에 대한 우려가 제기되고 있다.
핵연료 재처리 - 파이로프로세싱
파이로프로세싱은 사용후 핵연료를 재처리하는 건식 방법으로, 용융염이나 금속을 용매로 사용하여 우라늄과 플루토늄을 분리하는 과정을 거치며, 안전성과 시설 규모 면에서 장점이 있지만 플루토늄 추출 가능성으로 인해 국가별로 다른 입장을 보인다.
핵연료 - 토륨
토륨은 은백색의 방사성 악티늄족 금속 원소로, 높은 녹는점과 끓는점을 가지며 지구 지각에 풍부하게 존재하고 핵연료로서의 잠재력을 지니지만, 방사능으로 인해 사용이 감소하고 있다.
핵연료 - 우라늄
우라늄은 은백색 금속 원소로, 핵분열을 일으키는 우라늄-235를 포함하며 핵무기 및 원자력 발전소 연료로 사용되고, 다양한 채굴 방법으로 채취되며 인간과 환경에 노출될 수 있다.
핵기술 - 원자로
원자로는 제어된 핵분열을 통해 열에너지를 생산하여 전기 생산, 추진 동력원, 연구 등에 활용되며, 핵분열 연쇄 반응을 제어봉과 감속재로 조절하고, 원자력 안전과 미래 기술 개발이 중요한 과제이다.
핵기술 - 핵무기 설계
핵무기 설계는 핵분열 및 핵융합 반응을 이용하여 막대한 에너지를 방출하는 핵무기를 설계하는 복잡한 과정으로, 핵분열성 물질의 임계 질량을 초임계 질량으로 신속하게 조립하는 다양한 방식과 고급 기술이 적용되며, 효율성 증대 및 안전성 확보, 방사능 낙진 최소화 등의 기술적·공학적 도전 과제들이 존재한다.

핵연료

2. 핵연료의 종류

핵연료는 원자로의 종류와 특성에 따라 다양한 형태로 사용된다.

우라늄의 열전도율: 우라늄의 열전도율은 매우 낮아 연소도에 영향을 미친다. 연소 과정에서 팔라듐, 크세논, 크립톤 등의 분열 생성물이 발생하여 격자를 손상시키고, 방사선 역시 격자에 영향을 준다. 낮은 열전도율은 펠릿 중심부를 과열시킬 수 있으며, 간극률로 인해 열팽창과 열전도율이 동시에 일어날 수 있다.
이산화 우라늄 (UO₂): 검은색 고체 반도체인 이산화 우라늄은 질산 우라닐을 암모늄 우라늄산염 형태로 만든 후, U₃O₈로 하소하고 아르곤/수소 혼합기체로 700도 이상 가열하여 만든다. 이후 분쇄, 압축, 소결 과정을 거쳐 펠릿 형태로 제작된다. 이산화 우라늄의 열전도율은 지르코늄보다 낮고 온도가 높을수록 감소하며, 이는 수중 환경에서 부식에 영향을 미치는 중요한 요소이다.
혼합 산화물 연료(MOX 연료): 플루토늄과 천연 또는 열화 우라늄을 혼합한 연료로, 경수로의 저농축 우라늄 연료를 대체할 수 있다. 핵변환으로 생성된 플루토늄 잉여분을 처리하는 방법으로도 활용된다. 영국, 프랑스에서 상업적 생산이 이루어지고 있으며, 러시아, 인도, 일본이 뒤따르고 있다. 중국은 고속 증식로와 함께 핵연료 재처리 기술 개발을 계획 중이다. 미국의 국제 원자력 에너지 협력 프레임워크(GNEP)는 핵연료 재처리를 통한 플루토늄 활용을 목표로 하지만, 핵확산 문제로 인해 미국 내 상업적 재처리는 이루어지지 않고 있다.
금속 연료: 산화물 연료보다 열효율이 높지만 고온 안정성이 낮다. TRIGA 원자로에서 사용되는 우라늄 지르코늄 수소화물(UZrH) 연료는 음의 피드백 효과를 통해 노심 용융을 방지하고, 중성자 방출을 통해 실험에 활용된다. 고속 중성자로에서는 악티니드 원소를 활용한 금속 연료가 사용될 수 있으며, 이는 금속 열팽창을 이용한 안전성을 특징으로 한다.
세라믹 연료: 높은 열효율과 녹는점을 가지지만 방사능에 의한 팽창 경향이 있고 연구가 부족하다. 질화우라늄 연료는 미국 항공우주국(NASA)에서 개발되었으며, 높은 열효율과 녹는점을 가지지만 ¹⁵N 사용이 필요하다. 탄화우라늄 연료는 액체금속 증식로에서 연구되었으며, 현재는 가스 냉각형 고속로의 연료 후보로 주목받고 있다.
액체 연료: 연료 자체가 냉각재 역할을 하며, 용융염 원자로와 액체 플루오르화 토륨 원자로(LFTR) 등에서 사용되었다. 용융염은 LiF-BeF₂-ThF₄-UF₄ 혼합물로, 높은 운전 온도를 가진다. 수용액균질원자로는 우라닐 황산염 수용액을 사용하지만, 사고 시 연료 증발 문제로 대형 원자로에는 사용되지 않는다.

2. 1. 산화물 연료

핵분열 원자로의 연료는 주로 우라늄 기반이며, 금속 산화물을 기반으로 한다. 금속 자체가 아닌 산화물을 사용하는 이유는 산화물의 녹는점이 금속보다 훨씬 높고 이미 산화된 상태이기 때문에 연소될 수 없기 때문이다.

핵심 환경에서 정상 작동 중 중성자속에 노출될 때, 연료 내 의 일부는 과잉 중성자를 흡수하여 로 변환된다. 는 빠르게 로 붕괴되고, 이는 다시 빠르게 로 붕괴된다. 의 작은 비율은 보다 더 높은 중성자 단면적을 갖는다. 가 축적됨에 따라 연쇄 반응은 연료 사용 초기의 순수한 에서 18~24개월의 연료 노출 기간이 끝날 무렵 약 70%의 와 30%의 비율로 변화한다.^[2]

2. 1. 1. UOX (Uranium Oxide Fuel)

이산화 우라늄(UO₂)은 검은색 반도체 고체이다. 질산 우라닐을 가열하여 UO₂를 생성할 수 있다.

:

이후 수소로 가열하여 UO₂로 전환한다. 농축 우라늄 육불화우라늄으로부터 암모니아와 반응시켜 중우라늄산암모늄이라는 고체를 생성하여 만들 수도 있다. 이를 가열(소성)하여 UO₃와 U₃O₈을 생성한 후 수소 또는 암모니아로 가열하여 UO₂로 전환한다.^[1] UO₂는 유기 결합제와 혼합하여 펠릿으로 압축한다. 그런 다음 펠릿을 훨씬 더 높은 온도(수소 또는 아르곤 기체 분위기에서)에서 소결하여 고체를 만든다. 목표는 기공이 거의 없는 고밀도 고체를 형성하는 것이다.

이산화우라늄의 열전도율은 지르코늄 금속에 비해 매우 낮으며 온도가 올라감에 따라 감소한다. 이는 수중 환경에 있는 산화 우라늄의 부식에서 중요시되는데, 이는 전기화학의 금속표면의 갈바닉 부식 과정과 비슷하게 조절된다. 우라늄의 열전도율은 연소도에 영향을 받으며, 낮은 열전도율은 사용중인 펠릿의 중심 부분을 과열시킬 수 있다. 또한 간극률로 인해서 열팽창과 열 전도율이 동시에 일어날 수 있도록 한다.

2. 1. 2. MOX (Mixed Oxide Fuel)

'''혼합 산화물 연료''' 혹은 '''MOX 연료'''(Mixed OXide fuel)는 플루토늄과 천연 우라늄 또는 감손 우라늄을 섞어 만든 연료로, 대부분의 원자로에서 사용되는 농축우라늄 연료와 비슷하게 연소한다. MOX 연료는 경수로의 저농축 우라늄(LEU) 연료를 대체할 유력한 연료로 지목되고 있다.

MOX 연료는 핵변환으로 만들어진 플루토늄 잉여분을 처리하는 방법으로 사용될 수 있다.

2005년 3월, 영국과 프랑스에서는 상업적인 핵연료를 재처리해 MOX 연료로 만드는 것을 마쳤으며, 러시아, 인도, 일본은 이 두 국가보다 조금 뒤처지는 상태이다. 중국에서는 고속 증식로와 더불어 핵연료 재처리를 개발하려는 계획을 세우고 있다.

국제 원자력 에너지 파트너십(GNEP)은 사용 후 핵연료를 재처리하여 나온 플루토늄을 핵연료로 사용하는 방안을 찾기 위한 국제적인 파트너십이다. 현재 미국에서의 상업적인 핵연료 재처리는 핵확산 문제로 인해 진행하지 않고 있다. 또한 현재 일본을 제외한 재처리 공장을 보유한 국가들은 군사용 원자로를 오랜 기간 동안 보유했던 국가들이다.^[28]^[29]^[30]

2. 2. 금속 연료

금속 연료는 산화물 연료에 비해 열전도율이 높지만, 높은 온도에서는 잘 버티지 못하는 단점이 있다. 1946년 클레멘타인 원자로를 시작으로 여러 시험 및 연구용 원자로에 사용되면서 오랜 역사를 가지고 있다. 금속 연료는 핵분열성 원자 밀도가 높을 가능성이 있으며, 일반적으로 합금 형태로 만들어지지만 순수 우라늄 금속으로 제작되기도 한다. 사용된 우라늄 합금으로는 우라늄 알루미늄, 우라늄 지르코늄, 우라늄 실리콘, 우라늄 몰리브덴, 우라늄 지르코늄 질화탄소 등이 있다.^[3] 이러한 연료는 플루토늄 및 기타 악티늄족 원소를 사용하여 폐쇄형 핵연료 주기의 일부로 만들 수 있다. 금속 연료는 경수로와 실험용 증식로 II와 같은 액체 금속 고속 증식로에 사용되었다.

용융 플루토늄은 녹는점을 낮추기 위해 다른 금속과 합금되어 탄탈륨 캡슐에 담긴 상태로,^[4] 1960년대 로스앨러모스 국립 연구소의 LAMPRE I과 LAMPRE II에서 시험되었으나, 운전 중 세 번의 연료 손상 사고를 겪었다.^[5]

2. 2. 1. TRIGA 연료

TRIGA 연료는 TRIGA (Training, Research, Isotopes, 제너럴 아토믹스(General Atomics)) 원자로에서 사용하는 핵연료이다. TRIGA 원자로는 우라늄 지르코늄 수소화물(UZrH)를 사용하는데, 이 연료는 음의 연료 온도 반응도 계수를 가지고 있어, 노심의 온도가 올라가면 반응도는 줄어들게 되어 멜트다운이 일어날 가능성이 매우 낮다.^[3] 이 연료를 사용하는 대부분의 노심은 "높은 누출" 노심으로, 과도하게 누출되는 중성자를 연구에 활용할 수 있다. 즉, 중성자원으로 사용될 수 있다. TRIGA 연료는 원래 고농축 우라늄을 사용하도록 설계되었지만, 1978년 미국 에너지부는 연구용 시험 원자로의 저농축 우라늄 연료 전환을 장려하는 연구용 원자로 저농축 우라늄 프로그램을 시작했다. 미국에는 35기의 TRIGA 원자로가 있으며, 다른 국가에는 추가로 35기가 있다.

2. 2. 2. 악티니드 연료

고속 중성자로에서는 우라늄과 플루토늄이 방출하는 중성자를 이용하여 많은 악티니드 원소들을 연료로 사용할 수 있다. 금속 악티니드 연료는 지르코늄 관 속에 우라늄, 플루토늄, 미량 악티늄족 원소들이 포함된 형태로 사용된다. 이는 금속이 열팽창하면 중성자의 방출이 늘어난다는 고유의 안전성을 이용한 것이다.^[1]

2. 3. 세라믹 연료

세라믹 연료는 산화물 연료에 비해 높은 열효율과 녹는점을 가지지만, 방사능에 의한 팽창 경향이 있고, 그 특성이 잘 알려져 있지 않다는 단점이 있다. 산화물 이외의 세라믹 연료로는 질화물 연료와 탄화물 연료가 있다.

2. 3. 1. 질화물 연료

미 항공우주국에서 개발된 질화물 연료는 일반 UO₂에 비해 열효율이 좋고, 녹는점이 매우 높다는 장점이 있다. 그러나 ¹⁵N을 사용해야 한다는 단점이 있다. (일반적인 질소는 ¹⁴N이다.) ¹⁴C을 방사선으로 핵변환 시키면 많은 양의 ¹⁵N을 얻을 수 있다. 질소를 사용하는 연료는 비싸기 때문에, 파이로프로세싱(건식처리)을 이용하여 ¹⁵N을 회수할 수 있다. 일반적으로 핵연료 재처리를 할 때 질산으로 핵연료를 녹이는데, 질화물 연료의 경우에는 연료가 잘 녹게 하기 위해서 일반적인 ¹⁴N을 집어넣어 ¹⁵N의 함량을 엹게 만들어준다.^[1]

질화우라늄은 NASA가 개발하는 원자로 설계에서 자주 선택되는 연료이다. 질화우라늄은 UO₂보다 열전도율이 더 높고, 매우 높은 녹는점을 가지고 있다. 하지만 ¹⁴N 대신 ¹⁵N을 사용하지 않으면, (n,p) 반응에 의해 질소로부터 많은 양의 ¹⁴C가 생성된다는 단점이 있다.^[1]

이러한 연료에 필요한 질소는 매우 비싸기 때문에 ¹⁵N을 회수하기 위해 건식처리가 필요할 가능성이 높다. 연료를 처리하여 질산에 용해시키면 ¹⁵N으로 농축된 질소가 일반적인 ¹⁴N으로 희석될 가능성이 높다. 플루오르화물 휘발법은 질산에 의존하지 않는 재처리 방법이지만, 비교적 소규모 설비에서만 시연되었으며, 확립된 PUREX 공정은 모든 사용후핵연료의 약 3분의 1에 대해 상업적으로 사용되고 있다.^[1]

모든 질소-플루오르화물 화합물은 상온에서 휘발성 또는 기체이며, 다른 기체 생성물(회수된 육불화우라늄 포함)로부터 분별 증류하여 초기 사용 질소를 회수할 수 있다. 비방사성 탄소로의 오염이 낮도록 연료를 처리할 수 있다면(일반적인 핵분열 생성물이 아니며, 흑연을 감속재로 사용하지 않는 원자로에는 존재하지 않음), 플루오르화물 휘발법을 사용하여 생성된 ¹⁴C를 사불화탄소로 분리할 수 있다. ¹⁴C는 다이아몬드 배터리라고 하는 특히 수명이 길고 저전력인 원자력 전지에 사용될 것으로 제안되었다.^[1]

2. 3. 2. 탄화물 연료

탄화물 연료는 열효율과 녹는점이 높아 주목받는 연료이다. 연료 내부에 산소가 없어 세라믹 코팅에 적합하며, 이는 구조적, 화학적 장점을 제공한다. 이러한 특성으로 인해 탄화물 연료는 현재 4세대 원자로 중 하나인 가스냉각고속로의 연료 후보로 고려되고 있다.^[6] 1960년대와 1970년대에는 액체금속고속로의 핀형 연료 형태로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되었으나, 최근에는 판형 연료나 삼구조 등방성 입자와 같은 미세 연료 입자 형태의 탄화우라늄에 대한 관심이 높아지고 있다. 탄소는 중성자 단면적이 낮지만, 연소 과정에서 중성자 포획을 통해 안정적인 ¹³C와 방사성 ¹⁴C를 생성한다.

2. 4. 액체 연료

액체 연료는 연료 자체가 냉각재 역할을 하는 형태이다. 용융염 원자로 시험과 액체 플루오르화 토륨 원자로(LFTR) 등에서 사용되었다.

수용액 균질 원자로(AHR)는 우라닐황산염 또는 다른 우라늄 염을 물에 용해시켜 연료로 사용한다. 이중유체원자로(DFR)는 U-Cr 또는 U-Fe와 같은 공융(共熔) 액체 금속 합금을 사용한다.^[7]

2. 4. 1. 용융염 연료

용융염은 리튬, 베릴륨, 토륨, 우라늄 불화물의 혼합체인 LiF-BeF₂-ThF₄-UF₄ (72-16-12-0.4 mol%)로 되어 있다. 용융염의 최고 운전 온도는 705 °C이나, 용융염의 끓는점인 1400 °C까지 온도를 올릴 수 있다. 이 종류의 연료는 연료가 냉각재 역할을 맡기도 하며, 용융염 원자로 시험과 액체 플루오르화 토륨 원자로(LFTR)와 같은 다른 액체노심 원자로 실험에도 사용되었다.

2. 4. 2. 우라닐 염 수용액

수용액균질원자로는 우라닐 황산염 혹은 다른 우라늄 염 수용액을 연료로 사용한다. 사고 발생 시 연료가 빨리 증발되어 버리는 단점이 있기 때문에, 이 원자로 형태는 대형 전력생산용 원자로에 사용된 적이 없다.^[7]

3. 일반적인 핵연료 형태

일반적으로 핵연료는 농축된 육불화우라늄(UF₆) 가스를 이산화 우라늄(UO₂) 가루 형태로 전환시켜 만든다. 이 가루를 압축하여 펠릿 형태로 만든 후, 고온에서 소결하여 단단한 세라믹 펠릿을 만든다. 이 실린더 형태의 펠릿은 연료봉에 넣기 위해 작게 가공된다. 펠릿은 금속 튜브에 들어가는데, 이 튜브는 원자로 설계에 따라 부식에 강한 합금으로 만들어진다. 연료봉의 피복재는 초기에는 스테인리스강이 주로 쓰였으나, 현재는 대부분의 원자로에서 부식에 강하고 중성자를 덜 흡수하는 지르코늄 합금을 사용한다. 튜브에 펠릿을 넣고 봉합한 것을 '''연료봉'''(fuel rod)이라 부르며, 연료봉을 여러 개 묶은 것을 '''연료 집합체'''라고 한다. 이 연료 집합체를 원자로 노심에 장전하여 사용한다.^[1]

이산화 우라늄은 검은색 고체 반도체이다. 질산 우라닐을 가열하거나, 농축 우라늄 육불화우라늄을 암모니아와 반응시켜 만든 중우라늄산암모늄을 가열하여 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 이산화 우라늄은 유기 결합제와 혼합하여 펠릿으로 압축한 후, 수소 또는 아르곤 기체 분위기에서 고온으로 소결하여 기공이 거의 없는 고밀도 고체를 만든다.^[1]

이산화 우라늄의 열전도율은 지르코늄 금속에 비해 매우 낮으며, 온도가 올라갈수록 감소한다. 또한, 우라늄의 낮은 열전도율은 사용 중인 펠릿 중심부를 과열시킬 수 있다. 물속에서의 이산화 우라늄 부식은 금속 표면의 갈바니 부식과 유사한 전기화학적 과정에 의해 제어된다.^[1]

핵연료가 중성자속에 노출되면, ²³⁸U의 일부는 과잉 중성자를 흡수하여 ²³⁹U로 변환된다. ²³⁹U는 빠르게 ²³⁹Np로 붕괴되고, 이는 다시 빠르게 ²³⁹Pu로 붕괴된다. ²³⁹Pu는 ²³⁵U보다 중성자 단면적이 더 크기 때문에, 연료가 사용됨에 따라 연쇄 반응을 일으키는 비율이 변화한다.^[2]

3. 1. 가압수형 원자로 (PWR) 연료

가압수형 원자로의 연료는 원통형 연료봉을 다발로 묶은 형태이다. 산화 우라늄은 세라믹 형태의 연료 펠릿으로 만들어져 지르칼로이 합금으로 만든 피복재에 들어간다. 지르칼로이 합금 튜브는 지름이 약 1cm이며, 연료 피복 뚜껑은 헬륨으로 채워져 있어 연료에서 발생되는 열이 피복재로 전달되는 전도율을 높여주고 펠릿과 피복재의 상호작용을 최소화한다.^[3] 하나의 연료 집합체에는 보통 179~264개의 연료봉이 들어가며, 원자로 노심 하나에는 121개에서 193개의 연료 집합체가 들어간다. 연료 집합체는 일반적으로 14x14 또는 17x17 형태로 제작되며, 길이는 약 4m이다. 가압수형 원자로의 연료 집합체는 제어봉이 위에서 연료 집합체로 바로 내려오는 구조이다. 산화 우라늄은 피복되기 전에 건조되는데, 이는 세라믹 연료에 있는 습기가 부식을 일으키거나 피복재를 연하게 만들 수 있기 때문이다.

3. 2. 비등수형 원자로 (BWR) 연료

비등수형 원자로의 연료는 가압수형 원자로와 비슷하지만, 연료 집합체가 밀봉되어 있다는 점이 가장 큰 차이점이다. 비등수형 원자로의 경우엔 얇은 튜브가 각각의 연료 집합체를 둘러싸고 있다. 이렇게 하는 가장 큰 이유는 국지적인 보이드 계수를 억제시켜, 중성자 전달과 더불어 노심 안의 물의 열역학에 영향을 주기 위해서이다. 현대적인 비등수형 원자로의 연료 집합체의 경우엔 제작사에 따라 91개, 92개, 또는 96개의 연료봉이 들어가게 된다. 보통 노심에는 최소 368개에서 최대 800개까지 집어넣기도 한다. 비등수형 원자로의 연료봉은 가압수형 원자로처럼 헬륨으로 채워져 있는데, 헬륨의 압력은 대기압의 3배인 300kPa이다.^[3]

3. 3. CANDU 연료

CANDU 연료 집합체는 지르코늄 합금으로 만든 길이 50cm, 직경 10cm인 집합체이다. 소결된 연료 펠릿을 지르코늄 합금관에 집어넣고, 양 끝을 지르코늄 합금으로 용접한다.^[3] 각 집합체의 무게는 20kg이며, 원자로 설계에 따라 다르지만 보통 4500개에서 6500개를 넣는다. 현재 쓰이는 CANFLEX 연료 집합체는 연료 집합체의 축을 따라 37개의 연료 핀이 정렬되어 있지만, 예전에는 몇 가지 다른 규격과 연료 핀 개수가 사용되었다. CANFLEX 연료 집합체는 두 가지 다른 핀 직경을 이용하여 연료 효율을 높이는 데 중점을 두고 있다. 현재 CANDU 디자인은 뛰어난 중수 감속재 덕분에 임계 상태를 맞추기 위해 농축 우라늄을 사용할 필요가 없지만, 농축 우라늄을 사용하여 원자로 크기를 줄이는 새로운 방안도 고려되고 있다.^[3]

4. 기타 원자로 연료

마그녹스 원자로는 가압 이산화탄소를 냉각재로 하는 흑연감속 원자로로, 천연 우라늄을 연료로 하고 마그네슘 합금인 마그녹스로 피복한 연료봉을 사용한다. 마그녹스라는 이름은 마그네슘 합금을 일컫는 말로, 마그네슘과 약간의 알루미늄, 그리고 다른 금속으로 이뤄진 합금으로 천연 우라늄을 감싸 산화되지 않고, 발전 중 생긴 분열 생성물을 가두는 역할을 한다. 이 물질은 중성자 흡수율이 낮으나 다음과 같은 두 가지 중요한 단점이 있다.

최대 온도 제한이 있어, 발전소의 열 효율에 영향을 줄 수 있다.
물과 반응할 수 있어, 물 아래에서의 사용후 연료의 오랜 보관이 방해될 수 있다.

마그녹스 연료는 낮은 운전 온도에도 불구하고 열을 빨리 순환시키기 위해 냉각핀을 달고 있는데, 이 냉각핀 제작비도 비쌌다.^[8]

삼중구조 균등성 연료(Tristructural-isotropic, TRISO)는 미립자 형태로 되어 있는 연료이다. 이 연료의 중심부엔 UO_X(때때로 탄화 우라늄 혹은 UCO가 있기도 한다)가 있으며, 3개의 균일한 물질이 코팅되어 있다. 그리고 그 바깥으로는 탄소로 만든 다공성 완충 구조가, 그 위에 고밀도의 열분해흑연(Pyrolitic Carbon)와, 탄화실리콘(SiC)으로 된 세라믹 층이 있으며, 맨 바깥으로 고밀도의 열분해흑연이 높은 온도에서도 분열 생성물을 붙들고 있으며, 또한 TRISO 연료의 높은 구조적 안정성을 제공해준다. TRISO 연료 입자는 섭씨 1600도 이상의 온도에서 열 차이로 인한 열팽창이나 분열 가스의 압력에도 깨지지 않도록 설계되었으며, 원자로가 설계될 때의 최악의 사고에도 연료를 붙들고 있도록 설계되었다.

0.845 mm 크랙이 발생하여 다층 코팅이 드러난 TRISO 연료 입자

QUADRISO 연료 입자는 가연성 독물(유로퓸 산화물 혹은 에르븀 산화물 혹은 카바이드) 층이 TRISO 연료의 연료층 위에 씌어진 것으로, 연료의 반응을 좀 더 제어하기 쉽게 되어 있다. 만약 노심이 TRISO 연료와 QUADRISO 연료 두 개를 필요로 한다면, 중성자가 나온 후 가연성 독물에 막혀 QUADRISO 연료까지 내려오지 못하게 된다. 나중에 독물이 다 고갈된 후에야 QUADRISO 연료가 연소되기 시작한다. 이 메커니즘은 일반 TRISO 연료에 원자로 제어의 신뢰성을 높이기 위한 것이다. QUADRISO^[10] 연료의 구상은 미국 아르곤 국립 연구소에서 하였다.

RBMK 연료는 소련이 설계하고 건설한 RBMK에서 사용된 연료이다. 이 연료는 저농축 산화우라늄을 사용한다. 연료집합체의 길이는 3m 정도이며, 각각의 연료 채널인 압력튜브에 2개씩 들어갔다. 체르노빌 사고 이후, 중성자 흡수율을 높이기 위해 현행 2%에서 2.4%로 농축도를 올리게 되었다.

'''RBMK 원자로 연료봉 지지대''' 1 – 이격 아마추어; 2 – 연료봉 껍질; 3 – 연료 정제

도성합금 연료는 세라믹 연료 입자(보통 산화 우라늄)가 금속 구조에 삽입되어 있는 연료를 말한다. 이 연료는 열 전도율이 매우 높았으며, 팽창에 잘 버티는 특성을 지니고 있었다.

판형태 연료는 몇 년 동안 관심 밖의 대상이었다. 판 연료는 보통 농축 우라늄 샌드위치 모양에 금속 피복재가 중간에 끼인 형태를 하고 있다.

'''ATR 원자로 심장부''' 고급 시험 원자로(Advanced Test Reactor)는 아이다호 국립 연구소(Idaho National Laboratory)에서 클로버 잎 모양으로 배열된 판형 연료를 사용합니다. 심장부 주변의 푸른 빛은 체렌코프 방사선(Cherenkov radiation)으로 알려져 있습니다.

나트륨 결합 연료는 액체 나트륨 사이에 연료 슬러그와 피복재를 넣는 것을 말한다. 이 연료는 종종 나트륨을 사용하는 액체금속 냉각 고속로에서 종종 사용되었다. 이 연료 슬러그는 금속 혹은 세라믹으로 만들어져 있으며, 이 연료를 사용하면 연료의 열을 줄일 수 있는 장점이 있다.

5. 사용후핵연료

사용후핵연료는 핵분열 생성물, 우라늄, 플루토늄 및 트랜스플루토늄 원소의 복잡한 혼합물이다.^[20] 원자력 발전용 원자로에서 고온으로 사용된 연료는 불균질한 경우가 많으며, 팔라듐과 같은 백금족 금속의 나노입자를 포함하기도 한다. 또한 연료는 균열, 팽창, 녹는점 근처까지 가열되었을 가능성이 높다. 사용후핵연료는 균열될 수 있음에도 불구하고 물에 매우 불용성이며, 대부분의 악티늄족 원소와 핵분열 생성물을 이산화우라늄 결정격자 내에 유지할 수 있다.

원자로에서 높은 온도에서 사용된 연료봉은 보통 다른 성분으로 변화하며, 종종 팔라듐같은 백금족 원소의 나노입자가 포함되기도 한다. 연료봉이 깨지면 부풀어오름과 동시에 녹는점까지 온도가 올라간다. 비록 사용후 연료봉이 깨질 수 있지만, 물에서는 잘 녹지 않아, 산화 우라늄의 결정 격자구조 내의 주요 악티니드와 분열 생성물을 보유할 수 있다.

핵심 환경에서 정상 작동 중 중성자속에 노출될 때, 연료 내 의 일부는 과잉 중성자를 흡수하여 로 변환된다. 는 빠르게 로 붕괴되고, 이는 다시 빠르게 로 붕괴된다. 의 작은 비율은 보다 더 높은 중성자 단면적을 갖는다. 가 축적됨에 따라 연쇄 반응은 연료 사용 초기의 순수한 에서 18~24개월의 연료 노출 기간이 끝날 무렵 약 70%의 와 30%의 비율로 변화한다.^[2]

사용후핵연료의 방사능 위험은 방사성 성분이 붕괴됨에 따라 감소하지만, 수년 동안 높게 유지된다. 예를 들어, 원자로에서 제거된 지 10년 후에도 일반적인 사용후핵연료 집합체의 표면 선량률은 여전히 시간당 10,000 렘을 초과하여 단 몇 분 만에 치사량에 이른다.^[20]

6. 핵융합 연료

중수소(²H), 삼중수소(³H), 헬륨-3(³He)은 핵융합 연료로 사용된다. 다른 원소들도 핵융합이 가능하지만, 원자핵의 전기적 전하가 강해 더 높은 온도가 필요하다. 가벼운 원소를 이용한 핵융합이 미래 에너지원으로 고려되고 있다.^[24]

중수소와 삼중수소는 원자핵 전하가 가장 낮아 1세대 핵융합 연료로 간주된다. 주요 핵반응은 다음과 같다.^[24]

:²H + ³H → n (14.07 MeV) + ⁴He (3.52 MeV)

:²H + ²H → n (2.45 MeV) + ³He (0.82 MeV)

:²H + ²H → p (3.02 MeV) + ³H (1.01 MeV)

2세대 핵융합 연료는 1세대보다 높은 온도나 긴 밀폐 시간이 필요하지만, 중성자를 덜 생성한다. 중성자는 핵융합 반응로 벽에 흡수되어 방사능을 유발하기 때문에 원치 않는 부산물이다. 2세대 핵융합 연료는 중수소와 헬륨-3을 사용하며, 주요 반응은 다음과 같다.^[24]

:²H + ³He → p (14.68 MeV) + ⁴He (3.67 MeV)

3세대 핵융합 연료는 주반응에서 하전 입자만 생성하고 부반응은 적다. 중성자가 매우 소량만 생성되어 핵융합로 벽의 방사능 유도가 거의 없다. 이는 핵융합 연구의 최종 목표로 여겨지며, ³He가 가장 높은 반응성을 가진다. 그러나 지구상에는 헬륨-3 자원이 부족하다.^[24]

:³He + ³He → 2 p + ⁴He (12.86 MeV)

p + ¹¹B → 3 ⁴He (8.7 MeV) 반응도 무중성자 핵융합 반응으로 고려될 수 있다.

7. 핵연료 관련 사건

1979년, 미국 테네시주 어윈에 있는 핵연료 서비스사(Nuclear Fuel Services)의 핵연료 공장에서 핵무기로 전용 가능한 우라늄 9kg이 분실되었다. 미국 원자력 규제 위원회(Nuclear Regulatory Commission) 조사 결과, 1968년 이후 110kg의 고농축 우라늄이 분실된 사실도 밝혀졌다. 최종적으로 분실된 우라늄 대부분은 공장 내부에서 기화되어 대기 중으로 확산된 것으로 판단되었다.^[34]

참조

_[1] 서적 Chemical Process Industries 1977
_[2] 웹사이트 Uranium Fuel Cycle {{!}} nuclear-power.com https://www.nuclear-[...] 2023-11-03
_[3] 학술지 New Experimental Data on Partial Pressures of Gas Phase Components over Uranium-Zirconium Carbonitrides at High Temperatures and Its Comparative Analysis 2022-12
_[4] 웹사이트 Archived copy https://fas.org/sgp/[...] 2016-06-04
_[5] 웹사이트 LAHDRA: Los Alamos Historical Document Retrieval and Assessment Project http://www.lahdra.or[...] 2013-11-11
_[6] 웹사이트 Liquid Fuel Nuclear Reactors https://www.aps.org/[...] APS Physics 2018-07-14
_[7] 웹사이트 Dual Fluid Reactor – Variant with Liquid Metal Fissionable Material (DFR/ M) https://patentscope.[...]
_[8] 학술지 The Dragon Project origins, achievements and legacies
_[9] 웹사이트 Technology https://kairospower.[...] 2023-09-13
_[10] 웹사이트 A novel concept of QUADRISO particles. Part II: Utilization for excess reactivity control http://linkinghub.el[...] 2010-07
_[11] 학술지 Development Status of Accident-tolerant Fuel for Light WaterReactors in Korea
_[12] 학술지 Accident tolerant fuels for LWRs: A perspective 2014-05
_[13] 학술지 Sensitivity neutronic analysis of accident tolerant fuel concepts in APR1400 2023-08-15
_[14] 학술지 A Neutronics Study of the Initial Fuel Cycle Extension in APR-1400 Reactors: Examining Homogeneous and Heterogeneous Enrichment Design 2023-05-08
_[15] 웹사이트 State-of-the-Art Report on Light Water Reactor Accident-Tolerant Fuels 2019-03-16
_[16] 학술지 SiC and FeCrAl as Potential Cladding Materials for APR-1400 Neutronic Analysis 2022
_[17] 학술지 Preliminary neutronic analysis of alternative cladding materials for APR-1400 fuel assembly
_[18] 학술지 Neutronic Analysis of SiC/SiC Sandwich Cladding Design in APR-1400 under Normal Operation Conditions 2022
_[19] 학술지 Chromium-Coated Zirconium Cladding Neutronics Impact for APR-1400 Reactor Core 2022
_[20] 웹사이트 Backgrounder on Radioactive Waste https://www.nrc.gov/[...] U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) 2021-05-10
_[21] 보고서 Simplified Analysis of Nuclear Fuel Pin Swelling https://ntrs.nasa.go[...] 1970-01
_[22] 웹사이트 International Nuclear Safety Center (INSC) https://web.archive.[...] Nuclear Engineering Division, Argonne National Laboratory, US Department of Energy 2008-01-15
_[23] 학술지 A Laser Flash Apparatus for Thermal Diffusivity and Specific Heat Capacity Measurements https://web.archive.[...] 2001
_[24] 웹사이트 Nuclear Fusion Power https://web.archive.[...] World Nuclear Association 2009-09
_[25] 문서 원자 燃料とも呼ばれる。
_[26] 문서 核分裂性物質と同義語に使われることもある。
_[27] 문서 現在の技術ではまだ実用化されてはいないが、軽い核種を高速で衝突させることにより融合させることでその質量エネルギーを利用する核融合も未来のエネルギー源として期待されており、その燃料である二重水素及び三重水素も広義の核燃料と言える。
_[28] 문서 天然ウランよりもウラン235の含有率が低いものを指す。英語ではdepleted uraniumと言うが、日本語では使用済み核燃料など核分裂によってウラン235が消費された結果として生ずるものを「減損ウラン」、核燃料製造時のウラン濃縮濃縮の副産物として生ずるものを「劣化ウラン」と呼び、用語・訳語を区別している。
_[29] 법률 核燃料物質、核原料物質、原子炉及び放射線の定義に関する政令第1条 https://laws.e-gov.g[...]
_[30] 문서 用語辞典(1974) p.51 『核燃料物質』
_[31] 웹사이트 ウラン資源とその需給について https://www.meti.go.[...] 独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 2020-01-23
_[32] 표준 JIS Z 4001:1999 原子力用語 60012
_[33] 웹사이트 How much depleted uranium hexafluoride is stored in the United States? https://web.archive.[...] 米国エネルギー庁 2011-08-22
_[34] 웹사이트 ヒロシマの記録１９７９　９月 https://www.hiroshim[...] 広島平和メディアセンター 2008

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com