흐름이 보이는 원자력기사 시험에서 꼭 나오는 요점 요약 정리 12. 원전 연료

12. 원전 연료

      1) 핵연료의 구비조건

• 분열성 물질의 원자밀도가 높아야 한다.
• 열전도율이 우수해야 한다.
• 분열생숭물의 밀폐 및 유지성이 좋아야 한다.
• 고온에서 화학적 안정성을 갖고, 융점, 변태점이 높아야 한다.
• 방사선 손상이 적어야 한다.

      2) 금속 우라늄(U)

(1) 개요

• 핵연료로서 영국의 GCR(가스냉각로)에 천연우라늄 금속핵연료로서 많이 사용되고 있다.
-> 제조는 UF4를 금속Mg와 반응시키거나 UO2를 금속K과 반응시켜 제조하며, 환원된 금속 우라늄의 표면은 검은색이다.

(2) 특성
① 열 사이클 성장 : 열 사이클에 의해 체적 변화 없이 특정변화에 대한 소성변형을 보인다.
② 조사성장 : 조사에 의해 체적변화 없이 특정방향에 대한 소성변형을 보인다.
③ 열처리 : 난방성을 가지는 상으로 만든 후 급냉시키면 연소에 따른 조사성장의 감소를
 유도할 수 있다.
④ 팽창 : Xe, Kr 등의 기체 핵분열 생성물이 연료 내에서 확산하여 기공을 만들어 연료를 
부풀어 오르게 한다.

(3) 장점
• 저융점이어서 성형가공이 용이하며, 기하학적으로 안정되어 있다.
• 재처리시 액체폐기물 발생량이 적다.
• 열전도도가 우수해 핵연료 중심온도가 낮기에 도플러 효과가 적어 반응도 제어에 용이하다.
• Na과는 반응하지 않기에 고속 증식로의 경우 피복재 파괴시에도 안정된다.

(4) 단점
• 융점(1,132℃)이 낮고, 상변화가 일어나며, 변태점(668℃)이기에 연료 중심온도가 668℃도로 제한된다.
• 연료 과다시 깨어지며, 방사선조사, 열사이클에 의한 비방성 뒤틀림이 있다.
• 금속 우라늄 분말은 공기 중에서 적열산화반응을 일으키고 물과 반응 시 수소를 발생시켜 수소폭발의 위험성이 있다.
• 미세문발 형태로 인체에 흡입되면 화학적 독성을 일으킨다.

   3) 산화 우라늄(UO2)

(1) 개요
• 세계적으로 대부분의 수냉각원자로(PWR,CANDU,BWR)에서 핵연료로써 산화우라늄을 이용한다.

(2) 특징
① 열전도도
• 격자 진동에 의한 Phonon 형이므로 1,500℃까지 온도상승과 함께 열전도도가 감소한다.
-> 그 이상에서는 산소와 우라늄의 비율이 깨져 반도체가 되므로 전자에 의한 열전도도가 증가한다.

② 팽창(Swelling)
• Xe, Kr의 확산계수는 금속U보다는 적으며, UO2 연료는 열응력에 의해 갈라지므로 표면까지 확산거리가 금속U보다는 짧고 연료온도가 고온이므로 분열성 기체의 방출은 많다.
-> 팽창 정도는 동일 연소도 하에서는 금속U보다는 적다.

③ 미세조직
• 펠렛이 1,650℃를 넘으면 재결정이 일어나 입방정이 생기고, 1,900℃를 초과시 주형결정이 생겨서 펠렛 중심을 향하게 된다.
-> 입방정과 주형결정은 원래 펠렛밀도와의 차이로 인해 진공 생성을 유발한다.
-> 이 진공은 증발 응축화(Vaporization-Condensation)가 일어나서 고온부쪽으로 이동해 펠렛 중심에 큰 Void를 형성한다.

④ 고밀화(Densification)
• 조사에 의해 고체 내 결함이 증가하여 격자간 원자가 확산되면서 기공, 빈공을 흡수해 기포가 줄어들면서 고밀화가 일어난다.

⑤ 연소 중 부피변화
• 연소 전에는 고밀화가 진행되어 부피는 감소하고 밀도는 증가한다.
-> 연소 후에는 팽창이 진행되어 부피는 증가하고 밀도는 감소한다.

(3) 장점
• 구조적, 화학적으로 안정화되어 연소 도중 비방성 뒤틀림이 없기에 소결체 제조에 용이하고, 냉각수와의 반응이 적다.
• 열팽창이 적으며, 내식성, 열, 방사선에 대해서 안정하다.
• UO2 분말은 산화되지만 화재에 이르지는 않는다.

(4) 단점
• 금속우라늄보다 원자밀도가 작고 열전도도가 작아서 높은 융점의 장점이 상쇄된다.