이달의 과학기술자상 7월 수상자 한국원자력연구원 정용환 박사 선정
원자력발전소의 ‘핵연료피복관’은 원자로 내에서 핵연료인 이산화우라늄이 안전하게 핵분열 반응을 일으키도록 보호하고, 방사성 물질이 외부로 누출되는 것을 막아주는 일차적인 방호벽 역할을 하는 가장 핵심적인 부품이다. 만약, 핵연료피복관이 파손되면 방사성 물질이 냉각수로 유출되어 원자력발전소의 안전성에 문제점이 야기될 수 있다. 따라서 핵연료피복관은 고온 고압의 극한 원자로 운전조건에서 수년간 사용되기 때문에 부식 저항성과 기계적 특성이 우수해야 한다.
우리가 알고 있는 여러 가지 금속 원소 가운데 이러한 방사선 조건에서 가장 잘 견딜 수 있는 재료가 지르코늄 원소이기 때문에 핵연료피복관 재료는 지르코늄을 주원소로하고 일부 다른 원소가 첨가된 특수합금으로 구성된다. 그러나 이러한 특수합금의 개발기술 및 제품제조기술은 고난이도 기술이므로 일부 원자력선진국만이 원천기술을 독점하고 있는 실정이다. 우리나라는 현재 막대한 로얄티를 지불하면서 전량 완성된 제품을 수입하여 국내의 발전소에 공급하고 있다.
이번에 정 박사팀이 개발한 고성능 HANATM 신소재는 현재 상용 원자로에서 사용되는 핵연료피복관(Zircaloy-4) 소재보다 성능이 월등히 우수하고 외국에서 최근에 개발한 신소재 제품보다도 50%이상 성능이 향상되어 원자력발전소의 안전성과 경제성을 크게 향상 시킬 수 있다. 또한, 미국, 일본, 유럽, 중국, 한국 등에 약 30여건의 특허를 등록함으로서 이미 소재 관련 원천기술을 확보하였기 때문에 해외기술 종속에서 탈피하여 우리 소재기술을 해외에 수출할 수 있는 획기적인 신소재 개발 기술이다.
동 연구는 과학기술부가 지원하는 원자력연구개발 중장기 사업으로 진행되었으며 이러한 원자력소재 개발 기술이 외국에서도 약 15년이 소요되는 기술이다. 정 박사팀은 1997년부터 연구에 착수하여 원천소재 개발, 시제품 제조기술개발, 실험실 성능평가, 연구로 노내 검증시험 등의 일련의 연구를 10년 만에 성공적으로 마침으로써, 독자소유권과 국제경쟁력을 갖는 신소재를 개발하는 개가를 이루었다.
이번에 개발한 고성능 HANATM 신소재는 지르코늄 원소를 주성분으로 하고 있으며, 니오븀, 주석, 철 등을 미량첨가하고 새로운 공법의 제조공정을 도입함으로서 성능을 획기적으로 향상시킨 신소재이다. HANATM 신소재의 안전성 및 경제성을 시험하기 위해서 원자력발전소와 같은 모의실험장치를 통해서 1차적으로 시험한 결과, 기존의 외국 제품에 비해서 부식 및 기계적 변형에 대한 저항성이 월등히 우수한 것으로 나타났다. 그러나 원자력제품을 상용로에 사용하기 위해서는 방사선 분위기에서 최종 성능을 입중 해야 한다.
따라서 2차적으로 원자로 성능을 검증하기 위해 이 분야에서 시험기술과 시설이 세계에서 가장 우수한 노르웨이의 할덴 원자로로 우리가 개발한 제품을 이송하여 3년 동안의 노내 검증시험을 실시하였는데, 원자로 조건에서 성능을 검증한 결과, 외국에서 개발한 신소재 피복관보다 50%이상 성능이 우수한 것을 확인하였다.
국내의 핵연료전문회사에서는 HANATM 신소재의 기술적 우위성을 인정하고 HANATM 피복관을 국내 원전에 공급하려는 장기 상용화 계획을 수립하였고, 현재 이를 생산하기 위한 공장 건설을 추진 중에 있으며, 2007년 10월에는 최초로 국내 원자력발전소에 장전되어 최종 노내성능을 검증할 예정이다.
국제 경쟁력과 원천기술을 갖는 HANATM 신소재를 개발함으로써 국내 원자력 산업에 미치는 파급 효과는 대단하다. 향후 매년 500억원의 수입대체 및 수출효과를 기대할 수 있으며 소재관련 원천기술의 확보로 국산 핵연료를 해외에 수출할 수 있는 길을 확보 할 수 있으며 원자력발전소의 안전성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.
정용환 박사 이력사항
○ 인적사항
- 이름 : 정용환(鄭龍煥, Yong Hwan Jeong)
- 생년월일 : 1957년 10월 8일 생
○ 학 력
▶1976. 3 ~ 1983. 2 충북대학교 재료공학과 학사
▶1983. 3 ~ 1985. 2 연세대학교 금속공학과 공학석사
▶1987. 9 ~ 1991. 8 연세대학교 금속공학과 공학박사
○ 경 력
▶1985. 3 ~ 현재 한국원자력연구원 책임연구원/랩장
▶1992. 2 ~ 1993. 8 독일 SIEMENS-KWU 방문연구원
▶2000. 3 ~ 2001. 2 고려대학교 객원교수
▶1994. 2 ~ 1994. 9 카나다 AECL 방문연구원
○ 수 상
2001 원자력연구개발사업 우수과제상
2002 한국원자력연구소 우수과제상
2003 한국원자력연구소 최우수과제상
2004 한국과학기술총연합회 과학기술우수논문상
2005 한국원자력연구소 우수과제상
2006 한국원자력학회 우수논문상
2006 대한금속재료학회 서정상 수상
2006 한국과학재단 우수연구성과 50선 선정
수상업적
□ 수상업적 : 고성능 지르코늄 합금(HANATM Alloy) 개발
□ 업적요지
정용환 박사는 원자력발전소의 안전성 및 경제성을 크게 향상 시킬 수 있는 고성능 지르코늄 합금 (HANATM Alloy)을 개발하였다. 원자력발전소의 핵심재료이면서 전량 수입에 의존하던 핵연료 피복관 재료개발을 위해 지난 10년 동안 국가 중장기 과제를 성실히 수행하여 원천소재 개발, 시제품 개발, 실험실 평가를 마친 후 노르웨이 할덴 연구로에서 3년의 노내 검증시험을 1차로 완료 하였는데 HANA 신소재는 외국에서 개발한 신소재 피복관보다 50% 이상 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이와 같이 국제 경쟁력과 원천기술을 갖는 국산 신소재 피복관(HANATM Alloy)을 개발함으로서 향후 매년 500 억원의 수입대체 및 수출효과를 기대할 수 있으며 소재 관련 원천기술을 확보(한국, 미국, 일본, 유럽, 중국 등에 약 30건의 특허를 등록)함으로서 해외 기술 종속에서 탈피하여 핵연료피복관을 해외로 수출 할 수 있으며 HANA 신소재 사용으로 원자력발전소의 안전성을 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다. HANATM 신소재는 이미 산업체[핵연료(주), 한수원(주)]와 협력하여 상용화 계획을 수립한 후 2007년 10월에는 최초로 국내 원자력발전소에 장전되어 최종 노내 성능을 검증할 계획이다.
정용환 박사는 HANA 신소재와 관련하여 SCI 논문을 50건 게재하였고 국내학회지에도 약 112여건을 게재한바 있으며 국내.외 학술회의에서도 약300건의 논문을 발표함으로서 세계적으로 주목을 받고 있으며 HANATM 신소재를 개발하여 국가 경쟁력제고에 기여한 바가 매우 크다.
□ 업적내용
핵연료 피복관은 고온 고압의 극한 원자로 운전조건에서 수년간 사용되기 때문에 부식 저항성과 기계적 특성이 우수해야 한다. 현재 원자력발전소를 가동하고 있는 세계 여러나라들은 원자력발전의 경제성 확보를 위한 노력의 일환으로 원자력발전 비용의 약 30%를 차지하는 핵연료주기비를 절감하기 위하여 고연소도 핵연료를 개발하고 있다. 그러나 고연소도까지 핵연료의 안전성을 유지하기 위해서는 핵연료피복관 재료의 성능향상이 필수적으로 요구된다.
최근 20년 동안 미국과 프랑스를 중심으로 신소재 피복관을 지속적으로 개발하고 있으며 세계시장 선점을 위해 이들은 자체 개발한 피복관을 대대적으로 홍보하고 있다. 특히 미국에서 개발된 Zirlo 피복관이 국내 원자로에 공급되기 시작하면서 Royalty 지급 등에 따른 가격상승 요인으로 인해 피복관 단가가 약 50% 정도 상승하였다. 이는 국내 핵연료 제조업체 및 최종 사용자인 전력생산업체에 경제적 부담으로 작용하고 있다. 그러므로 합금조성 및 제조공정에 대한 독자 소유권을 가진 국산 신소재피복관의 개발이 필수적이다.
10년 전에 연구개발 착수 시 국내에는 원자력 소재 개발에 대한 경험과 인프라가 전무한 상태에 있었으므로 국산 지르코늄 재료 개발의 성공 가능성은 매우 낮았다. 이 당시 미국, 일본, 독일, 프랑스 등의 원자력선진국은 지난 30년 이상 사용한 Zircaloy-4 피복관을 대체하는 새로운 신형 피복관 개발이 거의 마무리된 상태로 10~15년 이상의 기술적인 격차를 극복해야만 했다.
연구개발 초기, 원자력 선진국에서 발표한 연구 및 특허 자료를 체계적으로 분석하고 이를 바탕으로 수차례의 합금선정 연구를 수행하였다. 주기율표에 있는 모든 원소에 대하여 핵적 특성, 합금성, 가공성을 고려해서 합금원소 선별 연구가 수행되었고, 학계 및 다른 연구소와 협업연구를 수행하여 또 다른 방향에서 신합금에 포함될 합금원소를 선별하였다. 이와 같은 기초연구 결과를 바탕으로 합금원소의 조합이 이루어졌고 그 특성은 실험합금을 제조하여 평가되었다. 최종 합금선정까지 사용된 합금의 개수는 700여종에 달하였고 3년에 걸쳐 합금설계, 합금제조, 합금 평가시험이 반복적으로 수행되었다. 이와 같은 수차례의 실험연구 동안에 좌절과 실패의 아픔도 있었지만 마침내 국내 독자소유권을 확보한 6종의 최종 후보합금(HANA™)을 선정할 수 있었다
최종 피복관 후보합금이 선정된 후 이를 피복관 제품으로 제조하기 위한 연구를 수행하였다. 국내에서는 핵연료피복관을 제조할 수 있는 시설이 없었으므로 외국의 피복관 제조시설을 이용하여 시제품을 제조하였다. 일본의 SMI(Sumitomo Metal Industries)와 국제협력을 체결하여 HANA™피복관의 시제품을 제조하였다.
HANA™피복관에 대하여 실험실에서 노외성능 평가를 수행한 결과, 부식 및 기계적 성능을 포함한 모든 성능이 기존의 상용 피복관(Zircaloy-4)보다 2~3배 이상 우수한 성능을 나타냈다. 고성능 HANA™피복관 개발의 최종 목표는 상용원전에서 핵연료피복관으로 사용되어 핵연료의 경제성과 안전성을 향상시키는데 있다. 즉, HANA™피복관 개발의 궁극적인 목표는 수입 대체 및 해외 수출이 가능한 상용급 HANA™피복관의 생산이다. 이렇게 HANA™피복관의 상용화를 위해서는 노외 성능뿐만 아니라 노내 성능이 확인되어야 한다. HANA™피복관의 노내 성능검증은 크게 연구로 검증시험 단계와 상용로 실증시험 단계로 나뉠 수 있다.
첫 단계로 연구로를 이용한 노내 검증시험을 추진하였다. 국내에서는 가압경수로(PWR) 운전조건을 모사하면서 연소시험이 가능한 시설이 없기 때문에 세계 각국의 연구로에 대한 특성 및 비용을 평가하였고, 현지 시찰을 통해 연구시설과 시험능력을 직접 확인하였다. 그 결과, 노르웨이 할덴 연구로가 HANA™피복관 노내 검증시험에 가장 적합한 것으로 평가되었다. 국내에서는 최초로 HANA™피복관 노내 검증시험을 위해 할덴-KAERI간 양자 협약이 체결되었고, 2004년, 할덴 연구로에서 HANA™피복관의 연소시험이 시작되었으며 현재 3년의 연소시험(536FPD)을 끝마쳤다.
노르웨이 할덴 연구로에서 2006년 12월에 수행한 3차 중간검사 결과, HANA™피복관의 노내 성능은 기존 상용 피복관 대비 50% 이상 향상된, 매우 우수한 수준을 보이고 있다
□ 향후 계획
연구개발의 최종 마무리는 연구 결과물의 상용화에 있기 때문에 이를 실현하기 위해 HANA™피복관 상용화 준비의 마지막 단계인 상용로 실증시험을 한국수력원자력(주)(KHNP), 한국원전연료(주)(KNFC), 한국원자력연구소(KAERI)가 공동으로 추진하기로 합의한 후 2007년 10월 HANA™ 피복관을 최초로 국내 원자력 발전소에 시범 장전하기 위해 준비 중이다.
□ 파급효과
○ 고성능 HANA 피복관 개발이 성공적으로 완료되면, 국내 핵연료산업에 미치는 파급효과는 대단하며 연간 약 500억원의 수입대체 및 수출효과를 기대.
○ 국내 독자 소유권을 가진 HANA 피복관의 성공적인 개발은 전량 수입되는 피복관의 수입대체로 상당한 외화절감 뿐 아니라 국내 제조 피복관의 제조단가를 상당히 감소시킴.
○ 고성능 HANA 피복관의 사용으로 원자력발전소의 안전성 향상.
□ 활용계획
○ 한전원자력연료(주)는 ‘피복관 제조공장 설립’을 본격적으로 추진하고 있으며 가격 경쟁력과 기술 소유권 관점에서 유리한 위치에 있는 HANA 피복관을 국내 원전에 공급하고자 하는 계획을 수립중임.
○ 축적된 요소기술은 중소형 일체형 원자로(SMART), 초고연소도용 피복재 및 미래 원자로용 피복재를 위한 신소재 개발에도 매우 유용하게 활용될 계획임.
□ 기타업적
정용환 박사는 원자력연구소에 22년동안 근무하면서 학술활동에 있어서도 상당한 업적을 이루었다. 지금까지 SCI급 해외 학술지에 50여편의 논문을 게재하였고, 지르코늄 연구 분야에서는 세계적인 권위자로 활동하고 있으며, 국내 학술 활동에 있어서도 국내 학술지에 110건의 논문을 게재하였고 약 300건의 논문을 발표하여 금속재료 연구분야에 이바지한 공로가 매우 크며 이를 인정 받아서 지난해에는 금속재료학회에서 수여하는 특별상(서정상)을 수상한바 있다.
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