사용후핵연료 건식저장환경에서 수소화물이 피복관 건전성에 미치는 영향 평가

Abstract

세계 5위의 원자력 발전국인 우리나라는 사용후핵연료 문제를 해결하기 위한 방안 중에 하나로 외국에서 활발히 수행중인 건식저장 방안을 고려하고 있다. 건식저장 수행과정에서 사용후핵연료 건전성에 가장 위협이 되는 공정은 진공건조과정인데, 그 이유는 이 과정중에 필연적으로 사용후핵연료 피복관의 온도가 고온으로 상승하여 기존에 피복관 내에 환형방향(circumferential)으로 석출되어 있던 수소화물을 다시 고용체 형태로 용해시키기 때문이다. 건식저장 시작이후에 시스템 온도가 천천히 낮아짐에 따라 피복관의 수소고용도 역시 낮아지고 수소화물들이 재석출되기 시작하는데, 이때에는 봉내압에 의해 피복관 내벽에 가해지고 있는 원주응력(hoop stress)을 해소하기 위해 수소화물이 반경방향(radial)으로 석출되는 수소화물재배열(hydride re-orientation) 현상이 나타난다. 수소화물은 취성이 매우 강하며, 반경방향 수소화물(radial hydride)은 특히 피복관의 기계적 건전성을 심각하게 위협할 수 있는 것으로 알려져 있다. 수소화물재배열 현상은 건식저장 중에는 직접적으로 피복관 파손 등의 구체적 손상 징후를 보이지는 않지만, 저장시스템의 온도 감소에 따라 반경방향 수소화물을 지속적으로 석출시키고, 피복관의 재료적, 기계적 건전성을 감소시킨다. 건식저장의 기본적 특성상 사용후핵연료가 건식저장 이후 향후 다른 최종처리방안인 처분장 혹은 재활용 시설로 수송될 경우, 횡방향으로 놓인 핵연료집합체에 전달되는 진동 및 충격에 의해 이미 건전성이 약화된 피복관이 견디지 못하고 파손됨으로써 봉내에 격납되어 있던 방사성 핵분열기체생성물들이 용기 내부로 누출되는 사고가 발생할 수 있기 때문에 수소화물재배열이 매우 중요하다.

본 연구의 목적은 첫째는 피복관 건전성에 수소화물재배열이 미치는 영향을 평가하는 방법들을 비교 분석하여 본 연구에서 수행할 평가방법을 결정하고, 둘째는 결정된 분석방법을 이용하여 수소화물재배열 주요 인자들의 영향을 평가함으로써 시험수행에 제약이 많은 조사시험항목의 우선순위를 권고하고, 셋째는 기존의 외국 규제기준을 검토함으로써 향후 국내 규제기준에 수립에 방향성을 제시하는 것이다.

본 연구에서는 기존에 많이 시도되었던 링 시험과 달리 250 ㎜ 길이의 튜브시편을 통해 수소화물재배열 시험을 수행하였고, 그 이후에 수소화물재배열을 겪은 튜브에서 절취한 링을 압축실험하여 피복관의 기계적 건전성을 평가하였다. 시험은 현실적인 건식저장 조건인 300∼400 ℃ 온도와, 50∼110 MPa 원주응력, 저연소도인 150∼300 ppm 수소농도 범위에서 주로 수행하였다. 수소화물재배열 평가방법은 Fracture Energy 평가방식이 반경방향 수소화물의 개수와 길이를 집계하거나 수소화물의 연속성을 측정하는 기본의 방법보다 더욱 객관적이고 정량적인 방식으로 평가되었으며, 중요 인자 영향평가에 이 방법을 모두 적용하였다. 수소화물재배열 시험은 온도와 원주응력, 냉각속도, 수소농도, 등온시간, 온도순환 등의 주요 인자들을 중심으로 수행하였다. 연구결과 등온시간과 온도순환은 피복관 건전성에 미치는 영향이 매우 낮게 나타났다. 반면 냉각속도와 수소농도는 기존 연구결과들과 상반된 경향을 나타내었는데, 이는 시험방법과 시험조건 차이에 의한 것으로 판단되며 피복관 건전성에 미치는 영향은 앞선 두 인자보다 큰 것으로 나타났다. 마지막으로 온도와 원주응력은 피복관 건전성에 가장 큰 영향을 미치며, 그 중에서도 온도가 원주응력보다 훨씬 중요함을 본 연구를 통하여 확인하였다. 외국의 규제기준에 대한 본 연구의 검토결과, 수소화물재배열 발생억제에 관한 일본의 규제기준은 합리적인 것으로 판단되나, 90 MPa 원주응력을 초과하지만 않으면 400 ℃ 이상의 온도를 짧은 기간 허용하는 미국의 기준은 바람직하지 못한 것으로 나타났다. 온도가 원주응력보다 더욱 중요하다는 본 연구의 결과를 고려하면 이 기준은 조금 더 면밀히 살펴볼 필요가 있다. 수소화물재배열은 장기간의 건식저장 이후 필연적인 수송 중에 피복관에 가장 큰 위험성을 미치게 되는데, 거의 대부분의 수소화물재배열 시험이 수행된 온도는 상온인 반면에, 수송시의 온도는 상온이 아니므로 이에 대한 고려를 향후 국내 규제기준 설립 시에 반영할 필요가 있다.