핵연료 피복관은 부식에 강한 지르코늄 합금을 주원료로 이루어져 있어 원자로 내부에서 핵연료를 안전하게 둘러쌓고 있다. 하지만 고온·고압의 물과 핵연료의 열에너지에 노출되기 때문에, 표면에서 산화가 필연적으로 발생한다. 피복관의 산화하면 원전의 안전성을 저하하고 핵연료의 성능을 좌우하기 때문에 피복관의 설계기술이 중요하다.

연구팀은 국내 가압 경수로에 널리 쓰이는 3세대 개량 핵연료 피복관인 `절로(ZIRLO) 피복관`으로 수중 산화 반응 실험을 했다.

실험 결과, 실온에서 물을 흡착하고 있는 피복관 표면이 산화를 거치면 지르코늄 금속의 비율이 줄어든다는(46.4% → 43.1%) 것을 관측했다. 또 산화로 인해 지르코늄 산화물이 생성됐다는 것을 확인했다.

그러나 ZIRLO 피복관을 고온으로 달구면, 지르코늄 산화물이 분해되는 동시에 다량의 물이 탈착됨을 확인했다. 이 과정에서 산화되었던 피복관 표면이 다시 금속으로 변하는 현상을 관측했다.

이 결과는 고온 환경 피복관 연구의 해석자료로 사용될 수 있으며, 원자력 재료개발 분야에서 주목받고 있는 분야인 피복관 산화 부식 해석 및 중대사고 연구에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.

임상호 박사는 "이번 연구는 방사광가속기 기반 고해상도 광전자방출 분광법을 이용해 세계 최초로 피복관의 물 흡착 메커니즘을 분석한 최초의 결과물로, `안전한 원전`을 만들어나가는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다. 조남형 기자

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