재료연, 사용후핵연료 저장용기 알루미늄 장기 강도 저하 원리 규명

고온 가속시험으로 수십 년 뒤 성능 변화 예측…안전성 평가·인허가 근거 마련

한국재료연구원(KIMS)은 원자력안전연구단 이준호 선임연구원 연구팀이 부산대학교 반치범 교수 연구팀과 공동으로 사용후핵연료 건식저장용기 내부에 쓰이는 알루미늄 합금의 장기 강도 저하 원리를 규명했다고 22일 밝혔다.

연구팀은 짧은 기간의 고온 시험으로 수십 년 뒤 소재의 성능 변화를 예측하는 평가 방법도 제시했다. 이번 성과는 장기간 실제 저장시험을 하지 않고도 저장용기 내부 소재의 성능 저하를 예측할 수 있어 건식저장시스템의 안전성 평가와 인허가에 활용될 것으로 기대된다.

사용후핵연료는 최종 처분 전까지 장기간 안전하게 관리해야 한다. 건식중간저장은 사용후핵연료를 특수 용기에 넣고 물을 사용하지 않은 채 잔열을 제거하며 보관하는 방식이다.

저장용기 내부에는 사용후핵연료를 지지하고 일정한 배열을 유지하는 바스켓 레일과 심(shim) 등의 구조물이 설치된다. 이들 부품은 장기간 열에 노출되지만 연료를 장전한 뒤에는 직접 검사하거나 교체하기 어려워 시간에 따른 재료의 성능 변화를 미리 파악하는 것이 중요하다.

내부 구조재료로 사용되는 '6061-T651 알루미늄 합금'은 가볍고 열전도성이 우수하다. 그러나 높은 온도에 오랫동안 노출되면 소재의 강도를 높이는 나노 크기 석출물이 커지고 서로 간격이 벌어지는 '과시효' 현상이 발생한다. 이 과정에서 재료의 강도와 경도가 낮아질 수 있다.

연구팀은 6061-T651 알루미늄 합금을 섭씨 150~240도에서 최대 1만 시간 동안 열에 노출한 뒤 미세조직과 물성 변화를 분석했다. 그 결과 나노 크기의 석출물이 점차 커지고 석출물 사이의 간격이 넓어지면서 재료를 강화하는 효과가 감소하는 것을 확인했다. 이를 통해 나노 수준의 미세조직 변화가 실제 강도와 경도 저하로 이어지는 장기 열화 원리를 규명했다.

연구팀은 서로 다른 온도와 노출 시간에서도 비슷한 열화 상태가 나타나는 '시간·온도 등가관계'도 도출했다. 고온에서 단기간 진행한 가속시험 결과를 실제 장기 저장 환경에서 발생하는 재료 변화와 연결한 것이다.

이 방법을 활용하면 수십 년에 걸친 실제 저장시험을 하지 않고도 장기간 사용에 따른 내부 구조재료의 물성 변화를 예측하고 필요한 가속시험 조건을 설정할 수 있다.

연구팀이 확보한 장기 열노화 자료와 평가 방법은 국내 사용후핵연료 건식중간저장 시설 도입 과정에서 저장용기 내부 소재의 장기 안전성을 평가하는 데 활용될 전망이다. 시간제한경년열화분석(TLAA)과 경년열화관리프로그램(AMP)에 필요한 기술 자료로도 활용될 수 있다.

이준호 선임연구원은 "사용후핵연료를 장기간 안전하게 저장하려면 내부 부품의 초기 성능뿐만 아니라 시간이 흐르면서 재료가 어떻게 변하는지 정확히 이해해야 한다"며 "이번 연구는 나노 수준의 변화가 실제 강도 저하로 이어지는 원리를 밝히고 수십 년 뒤의 성능까지 예측할 근거를 마련했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구는 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 원자력 과학·에너지 분야 국제학술지 '인터내셔널 저널 오브 에너지 리서치'에 지난달 26일 온라인 게재됐다.