핵비확산 연구로용 핵연료 제조공법 개발

--------------------------------------

- 연구용 원자로 핵연료 및 암 진단용 동위원소 원료로 가능 -

과학기술부 한국원자력연구소

<> 한국원자력연구소(소장 장인순) 연구로용개량핵연료개발과제(과제책임자 김창

규박사)에서는 두께가 0.1mm까지 얇은 우라늄 금속 박판을 액체금속상태에서

바로 제조하는 기술을 세계에서 처음 개발하였다. 이 기술을 통해 핵 비확산

목적으로 개발하고 있는 대형 연구용 원자로의 저농축 순물질(monolithic) 핵

연료의 제조기술문제를 해결할 수 있게 되었으며, 암 진단용 동위원소인 테크

니슘(Tc-99m)을 생산하기 위한 저농축 우라늄 Mo-99 조사표적에 사용되는 우라

늄 박판 상용화 제조의 길을 열게 되었다.

<> 한국원자력연구소에서 개발한 우라늄 박판 제조기술은 가늘고 긴 구멍(slot)이

있는 도가니에서 진공상태로 우라늄을 녹인 다음, 구멍 끝 부분을 회전하는 구

리원주(냉각용 Cu roll) 표면에 아주 가깝게 액체금속을 높은 압력으로 분사하

면서 급냉응고시켜 얇으면서 넓은 우라늄 금속 박판이 제조되는 기술이다. 이

번에 개발된 신기술은 우라늄 액체금속상태에서 박판이 바로 제조되기 때문에

생산성이 좋고, 제조 경비가 저렴할 뿐만 아니라, 급냉응고 효과로 인해 재료

특성이 매우 우수하다.

<> 이는 종래의 박판 제조기술이 우라늄 주조물을 불활성인 분위기에서 600 이상

으로 가열한 상태에서 반복적으로 여러 차례 압연하여 최종적으로 약 0.1mm의

얇은 우라늄 박판을 얻은 다음에 열처리 온도에서 급냉시키는 기술로써 공정이

복잡하고 생산성이 낮았었다.

<> 한국원자력연구소에서는 이 기술을 2001년부터 개발에 착수, 2년여만에 박판을

성공적으로 제조하였고, 미국, 일본, 프랑스, 인도네시아, 중국, 캐나다, 네델

란드, 벨기에, 한국에 특허출원하였으며, 현재 일본과 한국에서 특허를 취득하

였다.

<> 연구용 원자로 핵연료는 처음에는 고농축 우라늄 핵연료를 사용하였으나, 핵

비확산 목적으로 저농축 핵연료를 개발, 전환 사용하는 저농축 연구시험로

(RERTR) 프로그램이 미국을 주축으로 전 세계적으로 추진되어 저농축 우라늄

규화물(U-silicide) 분산핵연료가 중형 연구용 원자로까지 사용하고 있다.

<> 그러나 대형 연구용 원자로는 우라늄 밀도가 더 높은 새로운 핵연료가 필요하

다. 최근 미국에서 이러한 용도로 U-Mo 박판 핵연료 시편을 연소 시험한 결과

만족한 결과를 얻었다. 따라서 저농축 연구시험로(RERTR) 프로그램에서는 2007

년까지 박판 핵연료에 대한 상용화 개발을 완료하여 2012년까지 모든 연구용

원자로를 저농축 우라늄 핵연료로 전환하고자 추진하고 있으나, 이에 사용될

우라늄 박판에 대한 상용화 제조기술을 절실히 필요로 하는 실정이다.

<> 한편, 현재 가장 많이 사용되는 방사성 암 진단제인 테크니슘(Tc-99m)은 우라

늄을 사용하여 조사표적을 만들고, 원자로내에서 조사시켜 만든 Mo-99의 붕괴

에 의하여 생산된다. 현재 고농축 우라늄을 사용하여 만들어오고 있으나, 핵비

확산 목적으로 저농축 연구시험로(RERTR) 프로그램에서는 저농축 우라늄으로

전환하기 위해 열발산이 좋은 우라늄 박판을 사용하는 방법을 성공적으로 개

발, 전 세계적으로 활용이 확산되는 단계이나 우라늄 박판을 상용으로 생산하

는 기술이 없어 어려움에 처해 있다. 이에 본 기술을 Mo-99 조사표적 제조에

활용하면 상용화 생산을 가능하게 할 것으로 RERTR program으로부터도 기대를

받고 있다.

<> 프랑스 핵연료제조회사인 CERCA에서는 핵연료 개발 목적으로 감손우라늄 박판

시료 5kg을 공급해 주도록 요청받아 2003년 2월에 수출 계약을 체결하고, 9월

에 수출한 바 있다. 또한 2003년 10월에는 원자로 내에서 우라늄박판의 연소성

능을 시험하기 위해 저농축 우라늄 박판 시료를 수출 공급하는 계약을 체결하

였다. 특히 CERCA에서는 우라늄박판 제조기술에 대해 기술이전을 적극 요청하

고 있고, 원자력(연)에서는 금년 12월까지 협의를 통해 기술이전 제안서를 전

달할 예정이다.

<요약> 핵 비확산 연구로용 핵연료 제조공법 개발

<> 두께가 0.1mm 까지 얇은 우라늄 금속 박판을 액체금속상태에서 바로 제조하는

핵 비확산용 신형핵연료 제조기술을 세계 최초로 개발하였다.

<> 이 우라늄 박판 제조기술은 가늘고 긴 구멍(slot)이 있는 도가니에서 진공상태

로 우라늄을 녹인 다음, 구멍 끝 부분을 회전하는 구리 원주(냉각용 Cu roll)

표면에 근접시켜 용탕을 고루 공급하면서 응고시키면 얇으면서 넓은 우라늄 금

속 박판이 제조되는 기술이다.

<> 이 기술은 핵 비확산 목적으로 개발하고 있는 대형 연구용 원자로의 차세대 저

농축 순물질(monolithic) 핵연료의 제조기술문제를 해결할 수 있게 되었으며,

암 진단용 동위원소인 테크니슘(Tc-99m)을 생산하기 위한 저농축 우라늄 Mo-99

조사표적에 사용되는 우라늄 박판 상용화 제조의 길을 열게 되었다.

<> 이 기술은 프랑스 등에 2003년 2월에 수출 계약을 체결하였고, 9월에 수출공급

을 한 바 있다. 또한 2003년 10월에는 원자로 내에서 우라늄박판의 연소성능을

시험하기 위해 저농축 우라늄 박판 시료를 수출 공급하는 계약을 체결하였다.

특히 CERCA에서는 우라늄박판 제조기술에 대해 기술 이전을 적극 요청하고 있

고, 원자력(연)에서는 금년 12월까지 협의를 통해 기술이전 제안서를 전달할

예정이다.

<< 핵 비확산 연구로용 핵연료 제조공법 개발 >>

1. 연구개발과제

o 연구과제명 : 연구로용 개량핵연료 개발 등

o 과제책임자 : 김창규

o 연구기간 : 2001. 1. ~ 2003. 12.

o 연구개발비 : 약 3억원(인건비를 제외한 직접연구비)

o 재원 : 과기부 원자력연구개발 중 장기 계획사업 등

2. 기술개발 배경 및 내용

1) 배  경

- 현재 세계 시장의 75% 가량을 점유하는 캐나다의 노디온(Nordion)사 등에서

는 고농축 우라늄을 사용하여 암 진단제인 방사선 동위원소 테크니슘(Tc-

99m)을 생산하기 위한 Mo-99 조사표적을 생산

- 핵 비확산 목적으로 저농축 연구시험로(RERTR) 프로그램에서는 1990년대 초

에 저농축 우라늄을 사용한 Mo-99 조사표적 제조기술 개발을 착수

- 그러나, 기존의 열간압연법으로는 낮은 품질, 생산성 및 경제성 문제로 인

해 박판 생산이 불가능하여, 우라늄박판 제조문제가 저농축 우라늄 Mo-99

조사표적 상용화의 큰 장애물로 대두됨.

- 2001년도부터 Mo-99조사표적 및 연구로용 차세대핵연료인 monolithic (순물

질) 핵연료에 사용되는 우라늄박판 제조기술을 세계 처음으로 창안하여 개

발

2) 제조 원리

- 광폭의 우라늄박판을 노즐 내 용융금속으로부터 직접 급속응고로 제조

- 회전하는 냉각롤과 노즐 끝단이 거의 밀착한 상태에서 고압으로 용융금속

분사

- 연속적이고 균일한 박판 제조 가능

- 노즐 구멍(nozzle slot)의 길이와 거의 같은 상태의 폭을 가진 박판 제조

가능

3) 주요 연구개발성과

- 2001~2002년도에 우라늄박판 제조장치 기술을 개발하여, 2003년도에 우라늄

을 불활성 분위기에서 녹여, 액체금속으로부터 두께 0.1mm, 너비 50mm의 연

속적인 우라늄금속 박판을 제조하는 데 성공

- 우라늄을 가늘고 긴 구멍(slot)이 있는 도가니에 불활성 분위기로 녹인 다

음, 구멍 끝 부분을 회전하는 구리 원주표면에 0.5mm 가량으로 매우 근접시

켜, 액체금속을 고루 공급하면서 응고시키면 얇으면서 넓은 우라늄 금속 박

판을 제조

- 한국원자력연구소에서 개발한 우라늄박판 제조기술은 반복적인 열간압연공

정 및 열처리공정 등을 포함하는 종래의 기술에 비해 생산성 및 경제성을

크게 향상시키며, 박판품질을 개선

- 한국, 미국, 프랑스, 캐나다, 일본 등 9개국에 특허를 출원하여, 2003년도

에 한국과 일본에 특허를 등록

- 프랑스 핵연료제조회사인 CERCA에서 우라늄박판 공급을 요청해와,

2003년 9월에 감손우라늄 박판시료 5kg을 수출하였으며, 2003년 10월에는

원자로 내에서 우라늄박판 연소성능을 평가하기 위해 저농축 우라늄 박판시

료를 공급하기로 계약 체결.기술 이전도 또한 요청해 와 2003년 12월까지

기술이전 제안서를 CERCA에 전달할 예정임

4) 기대효과

- 기술적 측면 -

o 핵 비확산 목적으로 전 세계의 고농축 우라늄을 사용하는 연구용원자로를

저농축 우라늄을 사용하는 연구로로 전환 가능하도록 하는 차세대 고밀도

핵연료인 순물질(monolithic) 핵연료의 제조기술문제를 해결할 수 있는

전기를 마련하게 되었음.

o 현재 고농축우라늄 조사표적을 사용하여 암 진단제인 방사선 동위원소 테

크니슘(Tc-99m)을 생산하고 있으나, 저농축 우라늄을 사용하여 테크니슘

(Tc-99m)을 생산하기 위한 Mo-99 조사표적 제조에 대한 경제성 향상으로

상용화 전기 마련

- 산업/경제적 측면 -

o 연구로용 차세대 고밀도 핵연료 또는 암 진단제인 방사선 동위원소 Tc-

99m 원료물질인 Mo-99 조사표적을 제조하기 위한 목적으로 우라늄박판 기

술수출 및 이전외화 획득 전망

o 저농축 우라늄을 사용한 Mo-99 조사표적 제조기술 개발로 Tc-99m 국산화

기반기술 확보

- 사회/문화적 측면 -

o 차세대 연구로용 판상 핵연료의 핵심기술을 보유케 되어, 연구로용 핵연

료 분야에서 기술 수출국으로, 한국의 국제적 위상 크게 제고

o 고농축 우라늄으로부터 저농축 우라늄으로 연구로용 차세대 순물질

(monolithic) 핵연료 및 Mo-99 조사표적을 전환하도록 하여 세계의 핵비

확산에 기여

<용어해설>

1. 연구로용 핵연료

연구로는 연구용 원자로를 줄인 말로 하나로와 같이 연구 목적으로 사용되는

원자로이다. 연구로는 우라늄이 핵분열하면서 중성자와 열을 발생시키는데, 이

중에서 중성자를 이용하여 원자력 분야는 물론 모든 산업분야에 대하여 관련된

연구를 하는 데 이용된다.  전 세계 57개국의 약 250개의 연구용 및 시험용 원

자로는 의학, 농업, 산업 등에 중요한 역할을 하고 있다. 예를 들면, 이 원자

로들은 의료용 동위원소 생산, 암치료용 중성자 발생, 환경오염이나 폐기물이

동 추적자 생산, 금속이나 엔진의 결함 연구, 새로운 자성물질 개발 등에 널리

이용되고 있다.  더불어 이 원자로들은 새로운 핵물질 실험, 원자로 운전원 양

성 등에도 널리 활용되고 있다.

연구로용 핵연료는 알루미늄 속에 약 0.1 mm 크기의 핵연료 알갱이 즉 입자가

분산되어 있고, 그 외부에 알루미늄 재질의 피복재가 덮여져 밀봉되어 있다.

핵연료 물질은 엄청난 운동에너지를 갖는 핵분열 생성물의 충돌에도 핵연료

조직이 변화되지 않는 안정한 물질이어야 한다. 고체상의 핵분열 원소는 핵연

료 입자 내에 그대로 머물러 있으나, 가스 성질의 핵분열 원소는 핵연료입자에

서 이동하다가 여러 개의 원자가 만나 작은 기포를 이루면 그 기포는 주변의

가스원자들을 끌어드리는 역할을 하여 기포는 점차 커져서 핵연료의 부피 팽창

을 초래하게 된다. 일부는 핵연료 입자를 빠져 나오기도 하지만 기지의 알루미

늄이 차단하고 알루미늄 피복재가 2차 차단을 해주고 있다.

2. 저농축 연구시험로(RERTR) 프로그램

미국은 카터 대통령 집권시기인 1978년부터 핵 비확산 정책의 일환으로 세계의

연구용 원자로의 고농축 우라늄 핵연료를 저농축 핵연료로 전환시키는 위해 저

농축 연구시험로(RERTR) 프로그램을 수립하여 추진해오고 있으며, 미국, 프랑

스, 러시아, 아르헨티나 등 20 여개국이 참여하고 있다. 저농축 연구시험로

(RERTR)에서는 전 세계 거의 모든 연구용 원자로에 사용되어질 수 있는 저농축

우라늄 연료를 개발중이다. 이 저농축 우라늄연료는 우라늄 235의 농축도가

20% 미만이어서 테러리스트들이나 소위 불량국가들이 연구용 원자로의 연료를

핵무기 생산 등에 악용하는 것을 방지할 수 있다.  저농축 연구시험로(RERTR)

에서는 20여개국의 30여 원자로들이 RERTR 프로그램에 의해 개발된 저농축 우

라늄 연료로 바꾸었거나 바꾸고 있으며, 20여개의 새로운 연구용 원자로들이

이 연료를 사용하기 위해 건설되었거나 건설 중이다.

3. 차세대 저농축 순물질(monolithic) 핵연료

미국 ANL 국립연구소에서는 저농축 우라늄 핵연료로 전환하지 못한 전세계 연

구로중 10% 정도의 고성능 연구로에 사용될 핵연료를 개발하기 위해, 우라늄규

화물(U-silicide) 분산핵연료 대신에 재처리 처분이 용이하며 고밀도를 가지는

U-Mo 합금을 사용하는 분산핵연료를 1990년 중반부터 개발해오고 있다.

원자로 내에서 연소시험결과, U-Mo 분산핵연료는 중저밀도 핵연료에서는 안정

하였나, 고밀도 핵연료에서는, 핵연료 입자와 기지 물질인 알루미늄과의 반응

은 고온에서는 크게 증가되어 심한 팽윤과 피복재 파손이 발생하여, 고밀도 핵

연료로서의 사용에 한계점이 노출되었다.

그래서, U-Mo 분산핵연료보다 우라늄 고밀도로 핵연료로 제조가 용이하며 핵연

료와 알루미늄 기지간의 접촉면적을 크게 감소시킴으로 인해 반응문제를 근본

적으로 해소할 수 있는 방안의 하나로, 최근에 미국 ANL 국립연구소에서는 순

수 U-Mo 박판에 알루미늄을 피복시킨 순물질(monolithic) 핵연료에 대한 노내

연소시험을 한 결과 매우 흡족한 결과를 얻어서, 고성능 대형 연구용 원자로에

사용될 차세대 핵연료로 순물질(monolithic) 핵연료를 개발하고자 적극 추진하

고 있다.  저농축 연구시험로(RERTR) 프로그램에서는 2007년까지 박판 핵연료

에 대한 상용화 개발을 완료하여 2012년까지 모든 연구용 원자로를 저농축 우

라늄 핵연료로 전환하고자 추진하고 있으나, 이에 사용될 우라늄 박판에 대한

제조기술이 절실히 필요한 실정이다.

4. Mo-99 조사표적

의료용 진단제인 동위원소 Tc-99m은 U-235를 사용하여 조사표적을 만들고, 원

자로 내에서 조사시켜 만든 방사선 동위원소 Mo-99의 붕괴에 의하여 생성된다.

Tc-99m은 현재 가장 많이 사용되는 방사성 암 진단제이며, 피폭량이 적고, 진

단이 정확한 장점을 가지고 있다.  Mo-99의 주당 소비량은 약 8000Ci(큐리)이

며, 연간 세계시장규모는 대략 1,000억원이다. 조사 후 조사표적에서 순수 Mo-

99 추출시 폐기물 용액의 양을 최소화시키고, 열발산도 최대화시키기 위해,

RERTR 프로그램에서는 저농축 우라늄 박판을 사용한 Mo-99 조사표적을 개발하

였다.

5. Tc-99m

Tc-99m은 암 진단용 방사성 의약품으로 세계 의료진단용 동위원소 수요의 약

80%를 차지하고 있다. 저농축 우라늄을 사용하여 만든 Mo-99 조사표적을 원자

로에서 핵분열시켜 Mo-99이 생성되고, Mo-99의 베타붕괴에 의하여 얻어진다.

Tc-99m은 반감기가 약 6시간으로서 짧은 시간에 붕괴되어 없어지므로 진단시

피폭양이 동일 목적의 다른 동위원소에 비해 1/10 정도이다. Tc-99m은 Tc-99로

변하고 이때 발생하는 감마선이 140 KeV의 단순 스펙트럼으로서 인체 조직의

투과성은 높은 반면, 산란성이 적어 비교적 깨끗한 영상을 얻을 수 있어 진단

의 정확성이 높아진다.