▲ 한국재료연구원이 사용후핵연료 건식저장용기 내부 구조재료인 6061-T651 알루미늄 합금의 장기 열노화에 따른 미세조직·물성 변화를 분석하고 장기 성능을 예측했다.

국내 연구진이 사용후핵연료 건식저장용기 내부 구조재료의 장기 열화 메커니즘을 규명하고 수십년 후 소재 물성 변화를 예측할 수 있는 기술을 확보하면서, 장기 건식저장 안전성 평가와 인허가에 필요한 기술적 근거를 강화할 수 있을 전망이다.

한국재료연구원(원장 최철진)은 원자력안전연구단 이준호 선임연구원 연구팀과 부산대학교 반치범 교수 연구팀은 사용후핵연료 건식저장용기 내부 구조재료로 사용되는 6061-T651 알루미늄 합금의 장기 열화 원인을 규명하고 장기 성능을 예측하는 평가 방법을 제시했다고 22일  밝혔다.

원자로에서 사용을 마친 사용후핵연료 건식중간저장은 사용후핵연료를 특수 용기에 넣고 물을 사용하지 않은 상태에서 잔열을 제거하며 장기간 보관하는 방식이다. 용기 내부에는 사용후핵연료를 지지하고 일정한 배열을 유지하기 위한 바스켓 레일과 심(shim) 등의 구조물이 사용된다.

이들 구조재료는 장기간 열에 노출되는 반면 사용후핵연료 장전 이후 직접 검사나 교체가 어려워 시간에 따른 소재 성능 변화를 사전에 파악하는 것이 중요하다. 연구팀은 6061-T651 알루미늄 합금을 150~240℃에서 최대 1만시간 동안 열에 노출한 뒤 미세조직과 기계적 특성 변화를 분석했다.

그 결과, 재료의 강도를 높이는 나노 크기 석출물이 장시간 열에 노출되면서 성장하고 석출물 사이의 간격이 넓어지는 현상을 확인했다. 이 같은 과시효(overaging)로 석출물의 강화 효과가 감소하면서 알루미늄 합금의 강도와 경도가 저하되는 것으로 나타났다.

연구팀은 나노 크기의 미세조직 변화와 실제 강도·경도 저하 사이의 연관성을 확인해 장기 열 노화에 따른 소재 성능 저하 원리를 규명했다. 또한 서로 다른 온도와 시간 조건에서 나타나는 소재의 열화 상태를 분석해 ‘시간-온도 등가관계’를 도출했다. 

이를 활용하면 고온에서 진행한 단기간 가속시험 결과를 실제 장기 저장환경에서의 소재 변화와 연결해 수십년 후 물성 변화를 예측할 수 있다. 이번 기술을 활용하면 수십년간 실제 저장시험을 수행하지 않고도 장기간 열 노출에 따른 내부 구조재료의 성능 변화를 예측하고 장기 성능평가를 위한 가속시험 조건을 설정할 수 있을 것으로 기대된다.

특히 이번 연구에서 확보한 장기 열노화 데이터와 평가 방법은 향후 국내 사용후핵연료 건식중간저장시설의 저장용기 내부 소재 장기 안전성 평가에 활용될 전망이다. 시간제한경년열화분석(TLAA)과 경년열화관리프로그램(AMP)에 필요한 데이터로 활용돼 건식저장시스템 안전성 평가와 인허가를 위한 기술적 근거 마련에도 기여할 것으로 기대된다.

이준호 재료연 선임연구원은 “사용후핵연료를 오랫동안 안전하게 저장하려면 내부 부품의 초기 성능뿐 아니라 시간이 흐르면서 재료가 어떻게 변하는지를 정확히 이해하는 것이 중요하다”며 “이번 연구는 재료 내부의 나노 수준 변화가 실제 강도 저하로 이어지는 원리를 밝히고 이를 바탕으로 수십년 뒤 성능 변화까지 예측할 수 있는 근거를 마련했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

한편 이번 연구는 ‘사용후핵연료관리핵심기술개발사업’의 일환으로 고준위방폐물관리위원회 재원과 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단(iKSNF)의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 국제학술지 ‘International Journal of Energy Research’에 8월 26일 온라인 게재됐다.