국내 연구진이 개발한 ‘연구로 핵연료 기술’이 국제공동연구를 통해 세계시장의 문을 두드린다.

한국원자력연구원(원장 박원석)은 2018년부터 개발한 ‘고밀도(5.3gU/cc) 저농축(LEU, Low Enriched Uranium) 우라늄실리사이드(U3Si2) 판형핵연료’의 성능검증을 위해 지난 5월 31일 벨기에 원자력연구소(이하 SCK CEN)와 국제공동연구 수행을 위한 협약을 체결했다.

이번 국제공동연구와 함께 성능검증을 포함한 ‘핵연료 고도화 연구개발’은 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업으로 2025년 12월까지 수행한다.

‘고밀도 저농축 우라늄실리사이드 판형핵연료’는 원자력연구원이 자랑하는 세계 유일의 ‘원심분무 핵연료 분말 제조기술’을 적용해 완성했다. ‘원심분무 핵연료 분말 제조기술’은 최대 섭씨 2,000도 고온의 진공상태에서 우라늄실리사이드를 녹여 고속 회전하는 원판 위에 분사함으로써 원심력을 이용해 미세하고 균일한 분말을 대량으로 생산한다. 95% 이상의 수율(투입량 대비 완성품 비율)을 보여 프랑스 등 경쟁국에 비해 불량률이 낮고 가격경쟁력이 우수하다.

고성능 연구로는 높은 출력을 내기 위해 농축도 90% 이상의 고농축우라늄(HEU, High Enriched Uranium)을 연료로 사용한다. 하지만 SCK CEN은 국제사회의 고농축우라늄 사용 최소화 노력의 일환으로 보유 중인 고성능 연구로(100MW급) BR2에 맞는 저농축우라늄 핵연료를 개발·사용한다는 계획을 세웠다. 일반적으로 사용되는 농축도 20% 미만의 저농축 우라늄실리사이드 판형핵연료는 출력 밀도가 부족해 고성능 연구로에서는 사용이 불가능하다.

사업 총괄책임자인 원자력연구원 연구로핵연료부 정용진 부장은 “원자력연구원이 개발한 핵연료는 저농축우라늄을 사용해도 원심분무분말의 특성으로 고밀도로 제조가 가능해 고성능 연구로의 높은 출력을 유지할 수 있다는 점에서 벨기에로부터 그 우수성을 인정받아 공동연구 협약을 체결하게 된 것”이라고 밝혔다.

향후 5년간의 공동연구를 통해 핵연료의 성능검증을 성공적으로 완료하면 원자력연구원은 세계적인 핵연료 공급사들과 동등한 자격으로 우라늄실리사이드 판형핵연료를 사용하는 세계 대부분의 연구로에 핵연료를 공급할 수 있는 자격을 획득한다. 우라늄실리사이드 핵연료의 시장 규모(3,000억원/년)를 고려했을 때 연 300억원 이상의 수출고를 달성할 수 있을 것이라는 전망이다.

원자력연구원 하나로중성자연구단 최기용 단장은 “이번 벨기에와의 공동연구를 통해 고밀도 우라늄실리사이드 판형핵연료의 성능이 국제사회에서 검증된다면 우리나라가 연구로 공급국으로서 핵연료까지 패키지로 상품화해 세계 연구로 건설시장에서 뛰어난 수주 경쟁력을 확보할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 ‘저농축 우라늄실리사이드 판형핵연료’는 1980년대 개발된 2세대 핵연료로 핵비확산 체제를 위협하는 고농축우라늄 사용을 제한키 위해 저농축우라늄을 사용하고, 중간급(4.8gU/cc)의 우라늄 밀도를 가진 것이 특징이다. 알루미늄 재질 피복의 판상 형태로 제작하면 높은 중성자속이 발생하면서도 효율적인 냉각이 이뤄진다. 최근 더 높은 핵연료 성능에 대한 요구에 맞춰 3세대 고밀도 우라늄실리사이드 판형핵연료 개발이 이뤄졌다.