원자로의 원료인 핵연료의 안전은 원전 전체의 안전을 구성하는 최밑단의 요소다. 핵연료의 안전성이 담보되지 못하면 설비나 시스템, 규제도 무용지물이 되는 탓이다. 국내 모든 원전의 핵연료를 독점 공급하고 있는 한전원자력연료는 이 점을 직시하고 핵연료의 제조·공급에 있어 확고한 안전성 유지에 만전을 다하고 있다.
한전원자력연료는 핵연료의 국산화 연료 주기기술 자립을 위해 1982년 정부 재투자기관으로 설립된 국내 유일의 핵연료 설계 및 제조 전문회사다. 1989년 핵연료 생산을 시작한 이래 핵연료 설계와 제조기술의 국산화에 성공해 국내 원자력 발전소에 소요되는 연료를 생산·공급하고 있다.
이재희 사장은 “30여 년간 다져진 핵연료 설계·제조 역량에 힘입어 원전 운용국가 중 가장 높은 수준의 원전 이용률 달성에 기여하고 있다”면서 “현재 독자 기술소유권이 확보된 고유 원자력 연료 개발을 완료해 인허가를 마치고 상용공급을 시작할 계획”이라고 말했다.
구체적으로 핵연료는 농축 우라늄을 분말 형태의 이산화우라늄(UO2)으로 재변환한 뒤 고온가열을 통해 생산한 분말을 압분, 소결해 직경 8㎜, 중량 5.2g의 소결체(pellet)로 제조된다.
유명준 세라믹처장은 “우리나라의 원전은 방사선을 완벽하게 차단하기 위해 총 다섯 단계의 방호막이 구축돼 있다”며 “소결체를 세라믹 상태로 제작하는 것이 방사능 누출 다중방어시스템의 제1단계에 해당한다”고 강조했다.
이 소결체를 피복관에 장입하고, 연료봉 변형 방지용 헬륨가스를 주입해 밀봉하면 연료봉이 완성된다. 한전원자력연료는 이렇게 만든 236개의 연료봉을 하나로 묶어 집합체(연료봉 다발)로 원전에 공급한다. 참고로 완성된 집합체는 한 다발당 1억6,000만kWh, 즉 4만 가구가 1년간 사용할 수 있는 전력을 생산할 수 있다.
핵연료 안전의 핵심은 단연 연료봉이다. 직경 9.5㎜, 두께 0.57㎜, 길이 약 4m로 핵연료가 원자로 내에서 연소할 때 핵분열 에너지를 방출하는 모체다. 이 열에너지를 냉각수에 전달하는 한편 연소 시 발생하는 핵분열 생성물을 냉각재로부터 차폐시키는 방호벽 역할도 수행한다.
연료봉의 소재는 열전달 특성이 뛰어나고, 내부식성이 우수한 지르코늄(Zr) 합금으로 만들어지는데 전량 수입에 의존하고 있다가 지난 2009년 한전원자력연료에 의해 국산화에 성공했다. 유 처장에 의하면 세계적인 핵연료·원자력 기업인 미국 웨스팅하우스에 수출되고 있을 만큼 안전성과 효율이 뛰어나다고 한다.
이처럼 소결체를 제작해 연료봉 장입이 마무리돼도 한국원자력연료의 업무는 끝난 것이 아니다. 핵연료의 특성상 극미한 실수나 오류도 용납되지 않는 만큼 최종적으로 3단계의 검사가 실시된다. 권기준 경수로연료처장은 “비파괴검사, 헬륨 누출검사, 육안 검사를 전수조사한다”며 “또한 별도의 전산시스템으로 각각의 연료봉에 대한 추적 관리도 가능하다”고 설명했다.
비파괴검사는 연료봉 탐상시험기를 이용한다. 고속중성자 및 감마선을 이용해 연료봉 내의 우라늄 농축도와 소결체 장입 길이 및 간격, 스프링 장입 유무 등을 확인하게 된다. 여기서 합격된 연료봉은 헬륨 누출 시험기를 통해 연료봉 용접 부위의 결함 유무가 재확인된다. 그리고 마지막으로 면밀한 육안 검사가 이뤄지는 것이다.
완성된 핵연료 집합체는 특수 제작된 운반용기에 포장, 특수차량으로 원전까지 운송된다. 물론 운반용기는 국제원자력기구(IAEA)의 기준에 따른 까다로운 시험을 통과한 제품이 쓰인다. 예컨대 운송 중 발생 가능한 사고에 대비해 9m 상공에서의 자유낙하시험, 900℃에서의 열시험, 15m 수중에서의 침수시험, 장애물 위로 낙하는 관통시험 등이 실시된다.
이 사장은 “지난 1989년 고리 2호기로 첫 핵연료를 운송한 이래 서울-부산 200여회 왕복거리인 1만9,000㎞를 운송하는 동안 단 한 건의 안전사고도 발생하지 않았다”고 강조했다.
1,800kwh
손톱 크기 만한 한전원자력연료의 핵연료 소결체 하나로 생산할 수 있는 전력량. 4인 가족 한 가구가 8개월간 사용 가능한 양이다.
서울경제 파퓰러사이언스 편집팀
/양철승 기자 csyang@sed.co.kr
구본혁 기자 nbgkoo@sed.co.kr
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