세계 수준의 한국형 원자로 '하나로'

▲ 한국형 다목적 연구용 원자료 '하나로(HANARO)'

한국형 원자로 ‘하나로(HANARO)’가 종합성능시험을 완료함으로써, 세계 수준의 다목적 원자로로 인정받았다. 

 

한국원자력연구원(원장 양명승)은 '하나로'를 이용한 냉중성자 연구시설 구축을 완료하고 국내 최초로 냉중성자를 생산했다고 25일 밝혔다. 초당 단위면적(㎠)당 1억 개의 냉중성자를 방출하는 데 성공한 것이다. 

한국원자력연구원은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 일환으로 약 600억원을 투입하여 2003년부터 냉중성자 실험시설 구축에 착수한 바 있다.

냉중성자(冷-, cold neutron)는 하나로에서 생성된 고에너지 열중성자(熱-, thermal neutron)를 섭씨 영하 259도의 액체수소로 차갑게 식힌 것으로, 열중성자보다 에너지는 낮고 파장이 길어 나노·바이오 연구에 유용하게 쓰인다.

세계 3위의 품질 자랑하는 냉중성자 생산

이번에 ‘하나로’가 생산한 냉중성자의 품질은 프랑스 ILL, 독일 FRM-2에 이어 세계 3위 수준으로, 전용 산란장치가 완성되면 국내 나노·바이오 연구에 전기를 제공할 전망이다.

냉중성자의 품질은 초당 1㎠의 면적을 통과하는 중성자의 수중성자속(neutron flux)과 중성자 스펙트럼의 분포를 통해 측정한다. 

2차례 측정시험 결과, 하나로 냉중성자의 중성자속은 약 6.0×107개(소각산란장치 기준)로, 실측된 냉중성자속과 스펙트럼의 분포가 설계에서 예측한 계산값과 일치한다. 이로써 한국원자력연구원의 냉중성자 실험시설 설계 능력이 입증된 셈이다.

▲ 냉중성자 수조내기기 설치

연구원 측은 향후 최대 7기의 냉중성자 산란장치를 구축하여 냉중성자의 특성을 최대한 활용할 계획이다. 이 중 △40m 중성자 소각산란장치(40M-SANS) △냉중성자 3축 분광장치(Cold-TAS) △디스크쵸퍼 비행시간분광장치(DC-TOF) △한국과학기술연구원(KIST)이 구축 중인 고분해능 소각산란장치(HR-SANS) 등 4기는 신규 개발되는 중성자 산란장치다. 

또한 △12m 중성자소각산란장치(12M-SANS) △수직형 중성자반사율측정장치(REF-V) △생체계면 반사율측정장치(Bio-REF) 등은 3기 산란장치는 기존에 하나로에서 가동하던 설비로, 이번에 성능을 개선하여 냉중성자실험동으로 이동·설치된다.

이들 냉중성자 산란장치들이 가동되면, 나노·바이오 구조 분석에 있어 첨단기술 활용이 가능해진다. 또한 국내에서는 어려웠던 ‘냉중성자 비탄성 중성자 산란’에 관한 연구가 가능해진다. 

또한 냉중성자 산란장치를 통한 연구개발 결과는 전자부품, 컴퓨터 칩, 평판 디스플레이 개발에 활용되는 나노소재 원천 기술 개발, 난치병 치료용 약물전달 물질 개발 등 NT, BT, IT 분야의 융복합 연구를 촉진하고, 나노-바이오 기술을 결합한 차세대 신산업 창출에 이바지할 것으로 기대된다. 

차세대 핵연료 조사시험, 국내에서도 가능

원자력 발전소 핵연료의 성능을 종합적으로 검증할 수 있는 ‘핵연료 노내 조사시험설비(FTL, Fuel Test Loop)’ 구축과 종합성능시험도 마쳤다. 이로써 한국형 연구용 원자로 '하나로'는 명실상부한 세계 최고의 다목적 연구로로 자리매김하게 됐다. 지난 1995년 첫 임계에 도달한 지 15년 만에 이룬 쾌거다.

핵연료 노내 조사시험설비(이하 FTL)는 연구용 원자로 내부에 원자력 발전소와 동일한 조건을 구현하는 장치로, 350℃의 온도, 175기압의 압력 이외에 유량, 수질 및 중성자속을 동일하게 구현하여 핵연료의 종합적 성능을 최종 확인할 수 있도록 설계된 핵연료 실증시험 시설이다. 

총 240억원의 사업비가 투입된 FTL은 2001년 12월 개념설계에 착수하여, 2007년 3월 설치공사를 마치고 시운전을 거친 후 2009년 10월 완공했다. 이번에 설치 완료한 냉중성자 실험시설과 핵연료 노내 조사실험설비는 현재 한국원자력안전기술원(KINS)의 인허가가 나는 대로 본격 가동을 시작할 예정이다.

▲ FTL 노내시험부가 설치된 하나로 원자로 노심

   

FTL의 완공으로 국내에서도 차세대 핵연료의 조사시험을 수행할 수 있게 되었다. 원자력 발전소의 경제성을 크게 향상시킬 신형 핵연료 개발과 핵연료의 안전성 확보에 중요한 역할을 담당하게 된 셈이다. 

원자력 발전소에 사용될 핵연료를 새로 개발하면 상용 원전에 장착하기에 앞서 연구용 원자로를 이용해 반드시 연소시험을 거쳐야 한다. 지금까지는 해외시설에 의존해 왔으나, 이제 국내에서도 핵연료의 종합 성능검증 시험을 수행할 수 있게 됐다. 

차세대 핵연료를 해외시설에 의뢰해 조사할 경우, 핵연료 개발 기술의 국외 유출이 우려될 뿐만 아니라 제한적인 자료만 확보가 가능하다. FTL 완공으로 국외 조사시험 비용도 절감하고 신형 핵연료의 조사시험 자료를 독자적으로 확보할 수 있게 되었다. 앞으로 원전 가동률 증가, 핵연료 비용 절감 등의 직·간접적인 효과가 기대된다.

앞으로 한국원자력연구원은 FTL을 이용하여 경수로용 고연소도 핵연료 및 새로운 개념의 신형 핵연료에 대한 조사시험을 수행할 계획이다. 최근에는 일본원자력연구개발기구(JAEA)가 운영 중인 연구용 원자로 ‘JMTR’에 하나로와 유사한 핵연료시험시설을 구축하기 위해 우리 기술을 도입하겠다고 밝혔다.

최고 수준의 다목적 연구용 원자로로 인정

한국형 원자로 '하나로'는 냉중성자 실험설비와 핵연료 노내조사시험설비를 함께 갖춘 세계 유일의 연구용 원자로로, 이번 냉중성자 생산과 FTL 구축 덕에 단 하나의 원자로로 연구용 원자로의 모든 기능을 구현하는 세계 최고 수준의 다목적 원자로로 우뚝 서게 됐다. 아울러 세계 시장에서의 수출 경쟁력도 더욱 강화될 전망이다.

'하나로'는 현재 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 반도체 생산, 방사화 분석 등에 다양하게 활용되고 있다.

 한국과학창의재단  사이언스올 

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