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고속 원자로 연료로 사용하기 위한 플루토늄 및 그 합금의 특성

전문가 제언: ○ 고속 원자로용 금속 플루토늄 연료에 대한 초기 관심은 알루미늄, 갈륨, 또는 지르코늄을 첨가한 2성분 고용체, 그리고 철과 니켈 또는 코발트를 가진 저융점 공정합금을 함유한 플루토늄 합금의 연구에 많은 노력을 들여왔다.

○ 플루토늄과 세륨을 가진 이러한 원소의 3성분 계에도 관심이 있었다. 고용체 합금과 공정합금은 어떤 고용체 합금에서의 음성 열팽창과 Pu-Fe계에서 액체금속으로는 알려진 최고 점도와 같은 가장 이례적인 성질을 가졌다.

○ 금속 연료는 세라믹 연료에 비해 많은 잠재적 이점이 있지만, 연소 중 높은 팽창율과 스미어링 밀도(smearing density) 때문에 초기의 시도는 성공하지 못하였다.

○ 액체 금속 연료는 과도한 부식이 일어나고 있다. 이에 대하여 고융점 U-Pu-Zr 금속연료에 대한 추후의 연구는 상당히 유망한 미래를 보여주고 있다.

○ 본 검토는 고속 원자로에 대한 최근의 관심이 되살아나고 있는 것을 고려하여, 초기 연료의 핵심적 특성의 일단을 검토하고 3원 합금이 제시하는 과제들을 논의하고 있다.

○ 고속증식로의 핵연료는 경수로 핵연료에 비하여 플루토늄의 부화도가 높고, 핵연료 펠릿의 비출력 및 평균온도도 높다. 현재는 주로 산화물핵연료로서 고연소도 화를 목표로 개발되고 있다. 핵연료설계에서 중요한 것은 핵연료가 용융되지 않을 것, 피복관이 파손되지 않을 것, 핵연료집합체가 기계 구조적으로 건전할 것 등이다. 이를 위하여 산화물핵연료에서는 펠릿의 중심온도 약 2,500℃, 피복온도 약 700℃에서 건전 하도록 설계된다. 앞으로는 핵연료 연소도를 높임으로써 경제성향상을 도모하고 있다. 이를 위하여 핵연료 설계의 고도화와 동시에 노심 재료의 내스웰링성 향상 등을 목표로 개발이 진행 중에 있다.

저자: S.S. Hecker et al.
자료유형: 학술정보