한국원자력연구원(원장양명승)이 연구용 원자로 하나로(HANARO)에 냉중성자 연구시설(CNRF : Cold Neutron Research Facility) 구축을 완료하고 국내최초로 냉중성자(Cold Neutron)를 생산하는데 성공했다. 이와 함께 원자력 발전소 핵연료의 성능을 종합 검증할 수 있는 핵연료 노내조사시험설비(FTL : Fuel Test Loop)의 구축 및 종합성능시험도 완료했다. 이들 첨단 연구시설의 성능시험을 완료하고 3개월 여에 거쳐 원자로와의 양립성 및 연계운전 능력을 성공적으로 검증함으로써, 하나로는 지난 1995년 첫 임계에 도달한지 15년만에 연구용 원자로가 수행할 수 있는 모든 기능을 갖춘 명실상부한 세계 최고의 다목적 연구로로 자리매김하게 됐다. 냉중성자는 하나로에서 생성된 에너지가 높은 열중성자를 섭씨 영하 259도의 액체 수소를 이용해서 극저온화한 것으로, 열중성자보다 에너지는 낮고 파장이 길어 나노와 바이오영역연구의 유용한 도구로 활용할 수 있다. 한국원자력연구원은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 일환으로 지난 2003년 냉중성자 실험시설구축에 착수, 2008년 11월 냉중성자 시설계통, 2009년 7월 수조내기기설치를 각각 완료하고, 시운전을 거쳐 초당 단위면적(㎠)당 1억 개의 냉중성자를 방출하는 데 성공했다. 냉중성자 시설 구축에는 냉중성자 실험동 건설비200억 원 포함, 약 600억 원이 투입됐다. 핵연료 노내조사시험설비는 연구용 원자로 내부에 원자력 발전소와 동일한 온도(350℃), 압력(175기압), 유량, 수질 및 중성자속을 구현함으로써 핵연료의 종합적 성능을 최종확인할 수 있도록 설계된 핵연료 실증시험시설이다.
핵연료 노내조사시험설비는 교육과학기술부 원자력 연구개발사업의 일환으로 2001년 12월 개념설계에 착수, 2004년 상세설계를 완료한 뒤, 2007년 3월 설치공사를 마치고 계통별 기능시험과 종합계통시험 등 시운전을 거쳐, 2009년 10월 완공했다. FTL 구축에는 약 240억 원의 사업비가 투입됐다. 이번에 설치 완료한 냉중성자 실험시설과 FTL은 현재 한국원자력안전기술원(KINS)에 인허가를 신청 중으로, 인허가가 나는대로 본격가동을시작할예정이다. 하나로가 생산한 냉중성자의 품질은 프랑스ILL, 독일FRM-2에 이어 세계 3위 수준으로, 냉중성자 특성을 활용할 수 있는 전용 산란장치가 완성되면 국내 나노 및 바이오 연구에 비약적인 전기가 마련된다. 냉중성자의 품질을 가늠하는 지표는 중성자속(Neutron Flux, 1㎠의 면적을 매초 통과하는 중성자의 수)과 중성자 스펙트럼의 분포로, 2차례 실시한 측정시험결과 하나로 냉중성자의 중성자 속은 약 6.0×107개(소각산란장치 기준)로 측정됐다. 실측된 냉중성자 속과 스펙트럼의 분포가 설계에서 예측한 계산값과 매우 잘 일치함에 따라 연구원의 냉중성자 실험시설 설계능력이 입증됐다. 한국원자력연구원은 냉중성자의 특성을 최대한 활용할 수 있도록 향후 최대 7기의 냉중성자 산란장치 구축을 추진할 계획이다. 40m 중성자 소각산란장치(40M-SANS), 냉중성자 3축 분광장치(Cold-TAS), 디스크쵸퍼 비행시간분광장치(DC-TOF), 한국과학기술연구원(KIST)이 주축이 되어 구축하고 있는 고분해 능소각산란장치(HR-SANS) 등 4기의 중성자 산란장치를 신규개발하고, 12m 중성자 소각산란장치(12M-SANS), 수직형 중성자 반사율측정장치(REF-V), 생체계면 반사율측정장치(Bio-REF) 등 하나로에서 가동하던 3기의 산란장치를 성능을 개선해서 냉중성자 실험동으로 이동 · 설치할 예정이다. 냉중성자 산란장치들이 가동되면 나노, 바이오 구조 분석분야에서 기존의 방법보다 진일보한 첨단 분석이 가능해지고 그동안 국내에서는 어려웠던 냉중성자 비탄성 중성자 산란 연구가 가능하게 된다. 또한 냉중성자 산란장치를 통한 연구 개발 결과는 전자부품, 컴퓨터 칩, 평판 디스플레이 개발에 활용되는 나노소재원천 기술 개발, 난치병 치료용 약물전달 물질 개발 등 NT, BT, IT 분야의 융 · 복합 연구를 촉진하고, 나노-바이오 기술을 결합한 차세대 신산업창출에 이바지할 것으로 기대된다.
냉중성자 수조내기기 설치
냉중성자 실험동 내부(구축 중인 산란장치들)
FTL 노내시험부 조립체
핵연료 노내조사시험설비의 완공으로 차세대 핵연료의 조사시험을 국내에서 수행할 수 있게 됨에 따라, 하나로는 원자력 발전소의 경제성을 크게 향상시킬 신형 핵연료 개발과 핵연료의 안전성확보에 중요한 역할을 담당하게 됐다. 원자력 발전소에 사용하기 위해 새로 개발하는 핵연료는 연소도와 발열, 피복재의 안전성, 사용후안전성 등을실증적으로 입증하기 위해 상용 원전에 장착하기 전에 연구용 원자로를 이용한 연소시험을 반드시 거쳐야 한다. 지금까지는 이를 위한 설비가 없어 국내에서 개발한 신형 핵연료의 성능 검증을 해외 시설에 의존해 왔으나, FTL 구축으로 국내에서 핵연료의 종합 성능 검증시험을 수행할 수 있게 됐다.
FTL 노내시험부가 설치된 하나로 원자로 노심(왼쪽)과 FTL 노외공정설비(오른쪽)
차세대 핵연료의 조사시험을 해외시설에 의뢰할 경우 제한적인 자료만 확보 가능하고 핵연료 개발 기술의 유출이 불가피했으나, FTL 완공으로 신형 핵연료의 조사시험 자료를 독자적으로 확보할 수 있게 됐을 뿐아니라 국외조사 시험비용도 절감할 수 있게 됐다. 개발된 핵연료가 상용화될 경우 원전 가동률 증가, 핵연료 비용절감 등의 직 · 간접적 효과가 기대된다. 한국원자력연구원은 FTL을 이용, 연구원이 개발중인 경수로용 고연소도 핵연료 및 새로운 개념의 신형 핵연료에 대한 조사시험을 수행할 계획이다. 아울러 최근 일본원자력연구개발기구(JAEA)가 운영 중인 연구용 원자로 JMTR(일본재료실험로)에 하나로와 유사한 핵연료시험시설의 구축 계획을 확정하고 우리 기술을 도입하겠다는 의향을 밝혀와, 조만간 국제적으로도 우리의 기술력을 인정받을 전망이다. 냉중성자생산과FTL 구축으로 하나로는 연구용 원자로의 모든 기능을 하나의 원자로로 구현하는 세계 최고 수준의 다목적 연구용 원자로로 우뚝서게 됐다. 한국원자력연구원이 자력 설계 건조, 1995년 첫 임계에 도달한 하나로는 중성자 빔 이용 물질 구조 연구, 핵연료 및 재료 조사시험, 의료용 및 산업용 방사성 동위원소(RI) 생산 및 개발 연구, 중성자 도핑을 통한 고품질 대전력 실리콘 반도체생산, 방사화 분석 등 다양하게 활용되고 있다. 하나로는 냉중성자 실험설비와 핵연료 노내조사시험설비를 함께 갖춘세계유일의 연구용 원자로로, 국내 과학기술 발전을 선도하고 원자력 발전의 안전성 및 경제성 향상에 더욱 기여할 수 있게 됐다. 아울러 하나로의 모든 연구 및 실험시설이 완성됨에 따라 연구용 원자로 세계 시장에서의 수출 경쟁력도 더욱 강화될 전망이다.
글_백종윤 기자 <한국원자력연구원 (042)868-2000 / www.kaeri.re.kr>
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