기술자립 연구개발 총력… 고유 핵연료 수출 기반 확보
세계에서 유일하게 경수로용 핵연료와 중수로용 핵연료를 생산하고 있는 원전연료는 현재 경수로연료 연산 550톤-U, 중수로연료 연산 400톤-U 생산시설에서 연료를 생산하고 있다. 이를 통해 국내의 경수로 원자력발전소 19기, 중수로 원자력발전소 4기 등 23기에 필요한 연료 전량을 공급하고 있다.
또한 그동안의 개량핵연료 개발과 상용공급 경험을 바탕으로 고유 핵연료 HIPER16 및 HIPER17 개발에 성공했으며, 고유 노심설계코드도 개발을 완료하고 실사용을 위한 원자력안전위원회의 최종 인허가를 획득했다. 이는 향후 국내는 물론 해외에도 아무런 제약없이 우리 고유의 핵연료를 수출할 수 있는 기반을 확보했다는 의미다.
▲ 경수로형 핵연료 어떻게 만들어지나
◆ 핵연료주기 = 핵연료 주기란 우라늄의 채광에서부터 핵연료로 성형 가공돼 원자로 내에서 연소되고, 사용후핵연료 처리까지의 전 과정을 의미한다.
우라늄을 광산에서 채굴해 분쇄한 뒤 흙이나 기타 불순물을 제거하는 정련의 과정을 거치면 노란색을 띤 가루만 남게 된다. 이것을 우라늄정광이라고 한다.
우라늄정광을 우라늄농축에 적합한 상태로 만들기 위해 불소와의 화학결합을 통해 변환시키면 육불화우라늄이 되며, 이 우라늄 속에는 우라늄 동위원소 U-238 성분이 99.3%, 핵분열을 일으키는 성질을 가진 U-235가 0.7% 포함돼 있다. U-235를 핵연료에 필요한 성분비인 2~5%까지 높이는 공정을 농축이라고 하고, 겔(Gel) 상태의 농축우라늄은 실린더에 저장된 상태로 국내로 수입된다.
이 시점부터 원전연료의 업무가 시작된다. 수입한 농축 우라늄을 가공해 핵연료로 만들어 원자력발전소에 공급하고, 사용후연료는 재처리의 과정을 거쳐 폐기물로 저장되거나 재사용된다.
◆ 재변환공정 = 겔 상태의 농축 육불화우라늄을 이산화우라늄 분말로 만드는 화학공정을 재변환이라고 한다.
먼저 육불화우라늄을 기화기에 넣고 100~105℃로 가열하면 겔상태의 육불화우라늄이 기화해 기체상태가 되고, 이것이 변환로로 이동돼 변환로 내부에서 고온의 수증기 및 수소가스와 반응하면 연료 제조에 적합한 이산화우라늄 분말로 변환된다.
◆ 소결체 제조공정 = 재변환 공정에서 생산된 이산화우라늄 분말을 연료봉에 장입하기 위해 손가락 한마디 크기의 펠렛으로 만들게 되며, 이를 이산화우라늄 소결체라고 한다. 이산화우라늄 소결체는 일종의 세라믹으로 분말을 담배필터 크기의 원통형으로 압축성형한 후 1700℃의 고온에서 열처리하고 그 표면을 연삭하여 제작한다.
현재 우리나라 원전은 방사선을 완벽하게 차단할 수 있는 다섯겹의 방호벽이 마련돼 있으며, 이처럼 세라믹 상태의 펠렛은 방사능 누출 다중방어의 제1단계에 해당한다.
생산된 이산화우라늄 소결체는 엄격한 품질검사 후에 저장용기에 포장돼 우라늄 창고로 입고된다. 평균적으로 완성된 소결체의 무게는 약 5.2g, 직경 약 8mm, 높이 약 10mm다. 이 소결체 1개는 약 1800kWh의 전력을 생산하는데, 이는 4인 가족 1가구가 약 8개월간 쓸 수 있는 전력량에 해당한다.
◆ 연료봉제조공정 = 연료봉(직경 9.5mm, 두께 0.57mm, 길이 약 4m)은 원자력연료가 원자로 내에서 연소 시 핵분열 에너지를 방출하는 모체가 되며, 이 때 발생되는 열에너지를 냉각수에 전달하고 연소 시 생기는 핵분열 생성물을 냉각재로부터 차폐시키는 방호벽 역할을 한다.
연료봉은 열전달 특성이 좋고 내부식성이 우수한 지르코늄 합금(지르칼로이)으로 만들어진다. 구성은 피복관, 상하부 봉단마개, 압축 스프링 및 소결체로 이루어져 있다. 연료봉은 국산화에 성공해 2009년부터 인근 관평동 공장에서 전량 생산하고 있다.
연료봉은 우선 입고된 피복관을 튜브 자동세척장비에서 세척한 다음 양단 가공기에서 정확한 길이로 절단하고 양단을 용접에 적합한 특수형상으로 가공한다. 이렇게 가공이 완료된 피복관에 하부 봉단마개를 전기저항용접(RPW)한다.
이제 여기까지 준비된 연료봉에 우라늄 소결체를 장입하게 된다.
◆ 소결체 장입 = 소결체 공정은 소결체를 자동으로 피복관에 장입하고 플레늄 스프링과 헬륨가스를 주입하고 난 후 상부 봉단마개를 용접하여 연료봉을 완성하는 과정으로 이루어진다.
먼저 제2공장에서 생산한 소결체를 1공장으로 이송해 온 후 누적길이를 측정하고, 남아있는 수분을 제거하기 위해 파레트를 건조랙에 삽입한 후 연속식 전기 건조로에서 150℃로 1시간30분 동안 건조한다.
그 다음 소결체 장입기에서는 앞 제조실에서 이송된 피복관에 소결체를 장입하고 압축스프링을 삽입한 후 연료봉 변형방지를 위해 헬륨가스를 넣고 상부봉단마개를 전기저항용접으로 완전 밀봉시킴으로써 연료봉 작업이 완료된다.
1개의 파레트에는 23개 연료봉의 소결체가 들어있으며, 17ACE7 타입의 경우 소결체의 수는 연료봉 1개당 370여개, 연료봉 다발을 일컫는 집합체 1개당 연료봉 수가 264개로 소결체 약 9만8000개가 장입된다.
원전연료에서는 1일 평균 약 1400개의 연료봉이 생산되고 있다.
◆ 연료봉검사 = 완성된 연료봉은 옆 공장으로 이동해 크게 세 가지 검사를 실시하게 된다.
먼저 연료봉탐상시험기(Rod Scanner)를 거친다. 연료봉탐상시험기는 고속중성자 및 감마선(Cf-252)을 이용해 연료봉 내의 우라늄 농축도, 소결체 장입길이 및 간격, 스프링의 장입 유무 등을 비파괴 검사하는 장치다.
합격된 연료봉은 헬륨누출시험기를 거쳐 연료봉 용접부위의 결함유무를 검사하고, 최종적으로 한 번 더 육안검사를 실시하고 있다. 합격된 연료봉은 위치선정 설비에 보관한다.
◆ 집합체 제조공정 = 집합체 제조공정은 크게 골격체 조립, 연료봉의 락커 도포 및 제거, 집합체 조립 등으로 이루어진다.
먼저 저장랙에 보관돼 있는 연료봉을 자동 위치화 프로그램을 사용해 컨테이너에 임시로 장입한다. 연료봉은 골격체에 장입되기 전에 표면 흠집방지를 위해 락커를 도포한 후 앞의 임시 저장대에 저장된다.
골격체는 상단고정체, 하단고정체, 지지격자, 안내관, 계측관 등으로 구성되며, 골격체 조립은 전기저항 점용접 및 벌징(bulging)이라는 기계적인 조립방법을 이용해 이루어진다.
이렇게 조립이 완료된 골격체에 연료봉을 장입한 후 상하단 고정체를 최종 조립하면 원자력연료 집합체가 완성된다. 이후 락커를 제거하고 최종검사에서 집합체의 길이, 직각도, 비틀림, 진직도 등에 대한 검사를 수행하면 집합체 제조의 모든 공정이 완료된다.
완성된 집합체의 무게는 약 680kg이며, 이 중 우라늄 소결체의 무게는 약 500kg-U이다. 17ACE7형 집합체 1개가 생산할 수 있는 전력량은 약 1억7000만kWh다. 이는 우리나라 약 6만 가구가 1년간 쓸 수 있는 양이다.
▲ 글로벌 TOP3 핵연료 주기회사
우리나라는 원전연료가 설립된지 30년만에 핵연료 기술 수입국에서 수출국으로 변모하고 있다. 이는 지속적인 연구개발을 통해 고성능 연료 개발에 매진해왔기 때문에 가능했다는 평가다.
실제 원전연료는 지난 2006년 한국표준형 원전용 개량연료(PLUS7)를 첫 상용공급했으며, 2008년에는 웨스팅하우스형 원전용 개량연료(ACE7)를 첫 상용공급하는데 성공하는 등 핵연료 기술자립에 총력을 기울이고 있다.
또한 2002년 원자력연료 핵심부품을 미국과 브라질 등에 수출한 것을 시작으로, 미국 웨스팅하우스사에 지르코늄합금 피복관 수출, 중국 NPIC사에 핵연료 서비스 장비 및 기술 수출, 미국 NuScale사의 SMR용 핵연료 개발 용역 체결 등 해외시장 개척에도 적극 나서고 있다. 2009년에는 한국전력 컨소시엄의 일원으로 UAE 원전수주에 참여했으며, 2016년 말부터는 원전연료에서 생산된 연료가 UAE 원전에 수출될 예정이다.
현재 세계 핵연료 시장은 크게 미국의 웨스팅하우스사와 프랑스의 Areva사로 양분돼 있고, 그 뒤를 러시아의 TVEL사와 원전연료가 뒤따르고 있다. 원전연료는 2020년까지 선후행 핵주기 분야로 사업영역을 확대, '글로벌 TOP3 핵연료 주기회사'로 발돋움하겠다는 목표를 갖고 있다.
원전연료 이종무 홍보협력실장은 "고품질의 안전하고 경제적인 연료를 생산·공급함으로써 국가 에너지 자립에 앞장섬은 물론 인재양성, 고객가치 창출, 신기술 개발, 사업영역확대 등을 통해 세계 일류의 원자력연료 전문회사로 우뚝 설 것"이라고 말했다.
