한국원자력연구원(원장 하재주)은 음향방출(Acoustic Emission)을 이용해 원자로 냉각수에서 발생하는 기포를 실시간으로 탐지할 수 있는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 이 기술은 현재 국내 특허 등록을 완료하고, ‘Annals of Nuclear Energy’ 등 SCI 전문학술지에 4편의 논문을 게재한 상태다.
원자력연구원 원자력재료연구부 심희상·허도행 박사 연구팀이 개발한 ‘냉각수 비등현상 음향방출 탐지·분석기술’은 잠수함 음향탐지 등에서 사용되는 기술을 활용한 것으로 핵연료피복관에 설치한 센서로 고온고압 조건에서 기포 발생 시 나타나는 음파를 탐지, 실시간으로 기포 발생 여부와 발생량을 분석한다. 연구팀은 탐지장비는 물론 환경신호와 기포 발생 신호를 분리할 수 있는 분석방법도 개발했다.
원자로 냉각수는 원자로 안전의 핵심요소로 핵분열 연쇄반응으로 뜨거워지는 핵연료피복관(이하 피복관) 표면을 식히는 역할을 한다. 원자로 내부는 고압으로 유지돼 330℃에서도 냉각수가 끓지 않지만 피복관의 온도가 점점 올라 냉각수 온도가 345℃에 달하면 피복관의 표면에 기포가 발생한다. 피복관 표면에 발생한 기포는 피복관의 열 방출을 막고 피복관 표면에 녹과 유사한 부식생성물이 더 쉽게 붙게 해 결국 피복관의 안전성을 위협하게 된다.
기존에는 고온고압의 원자로에서 발생하는 기포를 실시간으로 탐지하는 것이 어려워 냉각수의 온도나 원자로 열출력 측정값을 통해 간접 추정할 수밖에 없었다. 부식생성물 부착량이 급격하게 증가하면 원자로의 열출력을 낮추거나 더 나아가 운영을 잠시 정지시키기도 한다.
하지만 연구원이 개발한 기술을 활용하면 피복관 건전성 유지에도 효과적일 뿐 아니라 정확한 기포 발생량을 알 수 있어 불필요한 열출력 감소를 없앨 수 있다. 또한 최근 원전 현장에서 이슈가 되고 있는 ‘축방향 출력 불균일’ 등을 방지할 수 있어 원자로 안전성을 더욱 강화할 것으로 기대된다. 향후 연구팀은 피복관 표면의 부식생성물 부착량을 줄이고 예측하는 기술로 발전시키기 위한 연구를 계속할 예정이다.
‘축방향 출력 불균일(Axial offset anomaly)’은 핵연료 피복관 다발의 길이 방향으로 출력의 편차가 생기는 현상으로 기포 발생이 주요 원인이며, 원자로 안전성 확보를 위해 출력 감소나 원전의 운전 중단을 필요로 한다.
하재주 원자력연구원장은 “원자력연구원은 언제나 원자력에너지의 안전한 사용을 위한 기초 기술 개발에 힘써왔다”며 “이번 기술 개발로 원전 운영의 안전성이 한걸음 더 발전을 이룰 것으로 기대한다”고 밝혔다.
