미래 원자력용 세라믹 복합재료 제조 공정 및 특성 평가 (Invited)

Abstract

​플루토늄이나 마이너악티나이드와 같이 사용후핵연료에서 회수되는 초우라늄 원소 (transuranic elements)를 고속중성자로 또는 핵변환용 가속기에서 소멸처리하기 위하여 지르코니아 소결체에 대한 연구가 진행된 바 있다. 지르코니아는 조사 저항성이 매우 우수하고, 화학적 안정성이 뛰어나며 중성자 흡수율이 낮아 초우라늄 원소 소멸 처리용으로 사용할 수 있는 세라믹 기지 중에서 가장 우수한 재료로 고려되고 있다. 이와 같이 제조된 세라믹 소결체가 원자로 안에서 중성자에 의한 핵분열 및 핵변환에 의해 발생하는 열을 효과적으로 냉각 시스템에 전달해 줄수록 핵연료 시스템의 안전성이 향상되게 된다. 지르코니아 소재의 단점 중 한가지는 열전도도가 매우 낮다는 점이다. 따라서 지르코니아 소재의 우수한 특성을 활용하면서 열전도도를 향상시키기 위해서 열전도도가 우수한 강화재를 첨가하는 지르코니아 기지 세라믹 복합재료의 개념이 연구되었다.

열전도도와 중성자 흡수 단면적을 동시에 고려하여 SiC, Mo 등이 강화재로 선정되었고, 강화재의 부피분율은 중성자 흡수 단면적의 증가를 최소화하기 위하여 10% 이내로 제한하였다. 강화재를 첨가한 지르코니아 세라믹 복합재료의 소결은 방전 플라즈마 소결 및 마이크로웨이브 소결을 이용하였고, 소결 후의 상대 밀도 측정과 소결체의 미세조직 관찰을 통하여 치밀화 거동을 평가하였다. 세라믹 복합재료 소결체의 열전도도를 측정하기 위하여 레이저섬광법을 이용하였으며, 강화재의 부피분율과 온도에 따른 열전도도의 관계식을 구성하였다. 최종적으로 측정된 실험결과와 유한요소해석 및 이론적 모델의 비교를 통하여 강화재의 형상 및 부피분율이 열물성에 미치는 영향을 분석하였다.