핵연료의 요건

일반적으로 핵연료 재료(nuclear fuel material)로서 요구되는 성질은 아래와 같다.

1. (1) 핵분열성 물질의 원자밀도가 높은 재료
2. (2) 열전도율이 좋은 재료
3. (3) 핵분열 생성물(fission products)의 밀폐와 유지성이 좋은 재료
4. (4) 고온에서 화학적으로 안정적인 재료
5. (5) 융점 또는 변태점이 높은 재료
6. (6) 방사선 조사손상이 적은 재료

금속 또는 금속합금 연료는 (1), (2), (3)의 특성이 우수하여 원자력 개발 초기에 활발한 연구가 있었으나, (4), (5), (6)의 특성이 열악하여 연구용 원자로의 연료로서 주로 사용되고 있다. 산화물 세라믹 연료는 (4), (5), (6)의 특성이 우수하여 현재 발전용 원자로의 연료로 널리 사용되고 있다. 한편, 금속 연료의 장점과 산화물 세라믹 연료의 장점을 겸비한 것으로 탄화물 연료 및 질화물 연료가 있으며, 차세대 첨단 연료로 주목받아 이의 실용화를 위한 많은 연구개발이 진행되고 있다.

핵연료의 종류

핵연료 물질은 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th)의 3가지 원소가 해당되며, 동위원소에 따라 크게 핵분열성 물질(fissile material)과 핵연료 원료물질(fertile material)로 구분할 수 있다. 전자는 중성자를 흡수하여 핵분열 반응을 잘 일으키는 물질로써 U-233, U-235, Pu-239, Pu-241이 해당되며, 후자는 중성자를 흡수하여 핵분열성 물질로 변환되는 물질로써 Th-232, U-234, U-238, Pu-240이 해당된다. 그러나 자연에서 얻을 수 있는 핵분열성 물질은 U-235 뿐이며 그나마 천연 우라늄에 0.7 %만이 존재할 뿐, 나머지는 U-238이다. 그러므로 현재 대부분의 발전용 원자로는 천연우라늄 중의 U-235를 일부 농축하여 사용한다. 원자로에 장전되는 핵연료의 형태는 원자로의 용도나 개발 목적에 따라 다르며, 그 종류별 주요 성분을 표 1에 나타내었다. 그러나 현재로서는 고체 연료만이 실용화되고 있다.

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