미래의 원자력 발전소는 용융 염에 의존할 수 있지만 부식은 어떻게 될까요?
기후 변화 대응에 대한 일반적인 믿음은 탈탄소 전력 시스템으로의 전환을 위해 태양열과 풍력에 크게 의존해야 한다는 것입니다. 그러나 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 핵과학 및 공학 부교수이자 MIT 플라즈마 과학 및 융합 센터(PSFC)의 부소장인 마이클 쇼트(Michael Short) ‘42학번은 이러한 관점에 동의하지 않습니다. 그는 “풍력이나 태양열과 같은 재생 가능한 에너지원을 완전히 수용하기 위해 ‘언젠가’를 기다릴 여유가 없다"고 주장합니다. 대신 쇼트 교수는 기후 변화에 대응하기 위해 원자력을 포함한 모든 가능한 옵션을 고려해야 하며, 그 과정에서 원자력이 중요한 역할을 할 수 있다고 믿습니다.
수십 년 동안 과학자들은 용융염을 연료 또는 냉각수로 사용하는 핵분열 및 핵융합 원자로의 설계를 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 이러한 설계는 안전성과 성능 측면에서 유망한 이점을 제공하지만, 한 가지 주목할 만한 단점이 있습니다. 용융 염을 사용하면 고유한 불순물과 함께 부식을 통해 금속 재료의 열화 및 열화가 가속화되어 균열, 약화 및 최종 고장으로 이어지는 것으로 알려져 있습니다. 용융 염에 노출되는 것 외에도 원자로 내의 중요한 금속 부품은 일반적으로 재료에 악영향을 미치는 방사선과 싸워야 하며, 이로 인해 재료가 점점 더 부서지기 쉽고 고장에 취약해집니다. 방사선 조사로 속도를 더 높일 수 있을까
플라즈마 과학 및 핵융합 센터(PSFC)의 박사 및 박사후 연구원인 쇼트 박사와 저우 웨이웨 박사는 8년에 걸쳐 이 현상을 이해하기 위해 노력해 왔습니다. 최근 이들의 실험을 통해 특정 합금이 방사선에 노출되면 부식이 지연된다는 사실이 밝혀졌는데, 이는 시중에서 판매되는 다양한 재료 중에서 쉽게 확인할 수 있는 특성입니다.
첫 번째 과제 - 테스트 시설 구축
방사선과 부식 사이의 상호작용에 대한 조사는 두 현상을 동시에 연구할 수 있는 적절한 실험 인프라가 부족하여 어려움을 겪었습니다. 기존의 방법은 방사선에 노출되기 전에 재료가 부식을 겪는 기본 메커니즘을 순차적으로 조사한 다음 그 영향을 평가하는 것이었습니다. 이러한 방법론적 접근 방식은 정확성을 희생하더라도 연구자의 작업을 상당히 단순화했습니다. 이러한 한계를 인식한 쇼트는 “원자로에서는 모든 공정이 동시에 진행된다는 점을 강조했습니다.이 두 가지 요인을 분리하면 원자로 내에서 발견되는 조건을 재현하지 못하여 실험의 관련성이 떨어질 수 있습니다.
액상 소결 중 전기 전도도와 자기 민감도를 동시에 측정하기 위해 데이비드 쇼트 박사와 샤오린 저우 박사는 이 두 가지 요건을 충족할 수 있는 실험 설정을 개발하는 막중한 임무를 맡았습니다. 쇼트 박사는 이 분야의 초기 돌파구는 수성 시스템에서 사용할 수 있는 유사한 장치를 성공적으로 설계한 미시간 대학의 연구팀 덕분이라고 말합니다. 그러나 그는 용융 염에 적합한 시스템을 개발하기까지 3년간의 고된 노력과 수많은 좌절이 필요했음을 인정합니다. 이러한 어려움에도 불구하고 저우 박사는 여러 번의 반복을 통해 새로운 접근 방식을 찾아내고 성공을 거둘 때까지 인내했습니다. Short 박사는 이 역시 3년이 더 필요했다고 강조합니다.
실험을 통해 설정을 개발하고 테스트한 결과, 처음에는 양성자 조사가 예상대로 부식을 일관되게 증가시키지 않고 오히려 진행 속도를 늦추는 것을 관찰했습니다. 이전에도 이러한 가능성을 고려했었지만, 그들은 이러한 결과에 당황했습니다. “우리는 실험에 결함이 있는 것은 아닌지 의문을 품었습니다.“라고 쇼트는 말합니다. “어쩌면 우리가 샘플을 잘못 조합했을 수도 있습니다.” 하지만 이후 다양한 조건에서 진행된 테스트에서 초기 결과가 확인되었고, 연구진은 초기 데이터가 이상이 아니라고 믿게 되었습니다.
성공적인 설정
방법론의 핵심은 원자로 내에서 중성자의 효과를 시뮬레이션하기 위한 대리물로 가속 양성자를 활용하는 것입니다. 중성자 생성은 수반되는 건강 위험과 방사능 안전 문제로 인해 시간이 오래 걸리기 때문에 현실적으로 불가능하고 경제적으로도 실행 불가능한 것으로 간주됩니다. 대신 양성자를 사용함으로써 쇼트와 저우는 방사선으로 인한 부식 현상을 신속하고 안전하게 평가할 수 있게 되었습니다.
이들의 주요 실험 설정은 양성자 가속기에 부착된 테스트 챔버로 구성됩니다. 실험을 수행하기 위해 챔버 내부의 소금 펠릿 위에 얇은 금속 합금 디스크를 삽입합니다. 이후 테스트 중에 디스크 전체를 용융 소금 욕조에 담급니다. 동시에 양성자 빔이 소금 펠릿의 반대편에서 샘플을 겨냥하지만, 빔의 반경은 호일 샘플 중앙의 특정 영역으로 제한됩니다. “우리의 연구 결과는 논란의 여지가 없습니다.“라고 쇼트는 말합니다. “단독 실험에서는 전체 샘플이 부식되는 반면, 중앙의 동심원만 양성자에 동시에 노출됩니다.우리의 데이터는 양성자의 윤곽을 명확하게 보여줍니다
결과를 재정렬 한 후에도 예비 결과와 일관되게 유지되었습니다. 이는 방사선이 특정 상황에서 부식을 가속화하는 대신 잠재적으로 부식 속도를 늦출 수 있다는 연구자들의 논쟁적인 제안에 힘을 실어주었습니다. 특히 이러한 조건은 용융염으로 냉각된 원자로의 금속 성분에 대해 예상되는 것과 동일한 조건입니다.
부식 과정을 자세히 살펴보면 이러한 주장의 근거를 이해할 수 있습니다. 소금이 부식을 일으키는 메커니즘은 금속 표면 내부로 침투하여 격자 구조에서 용해성 원자를 추출함으로써 금속 표면 내의 원자 수준의 불일치를 이용하여 공극을 만들고 재료의 구조적 무결성을 손상시키는 것입니다. 또한 방사선은 물질과 상호 작용할 때 구성 원자에 운동 에너지를 부여하여 원자를 원래 위치에서 빠른 속도로 밀어냅니다. 따라서 방사선에 노출되면 원자가 소금 용액으로 이동하는 것을 촉진하여 부식 속도가 빨라질 것이라는 예상이 그럴듯해 보입니다. 그러나 이러한 예상과는 달리 과학자들은 실험 중에 부식 속도가
“모델” 합금을 사용한 실험
연구진이 새로운 설정에서 수행한 첫 번째 실험 에는 니켈과 크롬으로 구성된 “모델” 합금이 사용되었으며, 이는 부식 과정을 실제로 살펴볼 수 있는 간단한 조합이었습니다. 또한 부식을 가속화하는 것으로 알려진 화합물인 불화유로늄을 소금에 첨가했습니다. 일상에서 부식은 수년 또는 수십 년이 걸리는 것으로 생각하지만 용융염 원자로의 극한 조건에서는 단 몇 시간 만에 눈에 띄게 발생할 수 있습니다. 연구진은 불화유로늄을 사용하여 부식 과정을 변경하지 않고도 부식 속도를 더욱 높일 수 있었습니다. 이를 통해 어떤 물질이 어떤 조건에서 어떤 양성자 조사로 더 많이 또는 덜 부식되는지 더 빠르게 확인할 수 있었습니다.
양성자를 사용하여 재료의 중성자 손상을 시뮬레이션하려면 실험 설계를 세심하게 계획하고 작동 매개 변수를 정확하게 결정하고 조절해야 했습니다. 양성자는 전하를 띤 수소 원자로 구성되어 있기 때문에 시료 내의 원자 또는 소금의 이온과 상호작용하여 부식 반응에 영향을 미치거나 소금의 부식성을 증가시킬 수 있습니다. 따라서 양성자 빔은 소금에서 멈추기 전에 큰 화학 반응을 일으키지 않고 호일 샘플을 통과해야 했습니다.이러한 엄격한 제어 조치를 구현함으로써 연구자들은 호일 층 전체에 걸쳐 상당히 일관된 방사선 분포를 달성하는 동시에 호일과 소금 모두에서 바람직하지 않은 상호 작용을 최소화할 수 있었습니다.
실험 결과, 300만 전자볼트의 에너지 수준으로 가속된 양성자 빔을 25~30미크론 두께의 얇은 금속 호일 샘플과 함께 사용하면 다양한 니켈-크롬 합금 샘플을 테스트할 때 매우 효과적이라는 것이 입증되었습니다. 또한 조사 대상 특정 재료의 개별 내식성 특성에 따라 온도와 노출 시간을 모두 조절할 수 있습니다.
이 연구에 사용된 신틸레이션 카메라는 플라즈마-표면 상호작용 영역 내에서 발생하는 핵분열 반응에서 발생하는 입자를 감지할 수 있습니다. 이 시스템에는 두 개의 1064nm 고체 레이저로 구성된 광학 펌핑 시스템이 포함되어 있으며, 이 레이저는 핵융합로에서 플라즈마를 향한 구성 요소로 사용할 수 있는지 테스트 중인 물질이 들어 있는 샘플 홀더의 뒷면을 향하게 됩니다. 한 레이저는 샘플 바로 위에 있는 렌즈를 사용하여 샘플 표면에 초점을 맞추고, 다른 레이저는 동일한 렌즈를 통과한 후 테스트 섹션 뒤에 있는 거울에 반사됩니다. 두 레이저 빔은 모두 부분 투과 필터를 통과하여 샘플과 충돌할 때 겹칠 때 건설적으로 간섭할 수 있습니다. 그 결과 빛이 증가합니다
호일 샘플을 절단하여 단면을 만들자 연구진은 소금이 파고든 터널을 관찰했습니다. 저우에 따르면 이 터널은 방사선의 영향을 받지 않는 영역에서 샘플의 반대편을 연결했지만, 방사선에 노출된 위치에서는 그 존재가 제한적이었으며 전체 폭에 걸쳐 확장되지 않은 터널도 많았습니다. 이는 어두운 패치가 방사선 손상보다는 부식으로 인한 것이라는 결론을 뒷받침하는 증거를 제공했습니다.
이 결과는 가장 낙관적인 예측조차도 뛰어넘는 결과였다고 쇼트 박사는 주장합니다. 수행된 모든 실험에서 방사선을 활용하면 초기 속도의 두 배 또는 세 배에 달하는 속도로 부식을 효과적으로 지연시킬 수 있었습니다.
더 많은 실험, 더 많은 인사이트
후속 실험에서는 이전에 사용했던 가속제인 불화유로늄을 제외한 상용 용융염을 재현하고 실제 작동 조건을 시뮬레이션하기 위해 온도를 더 조정했습니다.연구팀은 엄격한 관찰을 통해 온도를 섭씨 100도 올리면 원자로 내에서 경험하는 것보다 부식 속도가 현저히 빨라지는 것을 관찰했습니다. 쇼트 박사는 프레젠테이션에서 이 현상을 간결하게 표현했습니다.
부식성 물질이 없는 용융 소금과 함께 니켈-크롬 합금을 사용하는 추가 실험을 통해 우리는 더 많은 이해를 얻었습니다. 전자 현미경을 통해 얻은 현미경 이미지는 호일 샘플 표면의 부식 위치를 밝혀냈습니다. 특히, 용융 염에만 노출되었을 때 부식 과정은 주로 금속 내 개별 입자 사이의 접합부 또는 경계에서 발생하는 것으로 관찰되었습니다. 반대로 동일한 샘플이 용융염과 양성자 빔에 동시에 노출되었을 때 부식의 정도는 전체 표면적에 걸쳐 증가된 확산을 보였으며 균열은 상대적으로 피상적이고 크루
분리 가능성이 감소된 것으로 나타났습니다. 쇼트가 제공한 그림에서 금속 성분은 각각의 원자가 구조적으로 배열된 개별 입자로 구성돼 있습니다. 이러한 입자의 교차점에는 원자 정렬이 일관성을 잃는 입자 경계로 알려진 과도기적 영역이 존재합니다. 부식 이미지만 보면 입자 경계를 따라 어두운 윤곽이 나타나는데, 이는 용융된 염의 존재로 인해 특정 원소가 용해되었음을 나타냅니다. 반대로 부식과 함께 조사가 도입되면 입자 경계뿐만 아니라 입자 자체의 내부 부분까지 포함하여 손상 범위가 더 광범위해집니다.
방사선을 받으면 녹은 소금은 간극 영역뿐만 아니라 곡물 자체의 내부에서도 물질을 추출합니다. 점차적으로 더 많은 양의 물질이 입자 사이의 공간보다는 입자 내부에서 추출됩니다. 이러한 추출은 전체 입자 경계에서 균일하게 발생하여 깊이와 폭이 줄어든 표면 균열이 형성됩니다. 결과적으로 소재는 이러한 분산되고 얕은 결함으로 인해 고장에 대한 취약성이 감소합니다.
상용 합금 테스트
지금까지 설명한 실험은 과학 연구에는 좋지만 원자로에는 절대 사용되지 않는 원소의 단순한 조합인 모델 합금을 대상으로 했습니다. 다음 실험 시리즈인 에서는 니켈, 크롬, 철, 몰리브덴 및 기타 원소를 다양한 조합으로 구성한 세 가지 상용 합금에 초점을 맞췄습니다.
시중에서 판매되는 합금을 대상으로 실험한 결과, 합금에 용해성 염의 농도가 높아지면 이온화 방사선에 의한 부식 정도가 악화된다는 선입견이 일관된 경향으로 나타났습니다. 방사선에 노출되면 크롬과 같이 쉽게 용해되는 성분이 입자 경계에서 더 빠른 속도로 이동하여 열화 과정을 가속화하는 것으로 관찰되었습니다. 반면에 니켈과 같이 용해되지 않는 성분의 농도가 증가하면 이러한 원자는 용액으로 이동하는 속도가 느려지는 경향이 있습니다. 결국, 장기간에 걸쳐 이러한 비용해성 입자는
합금에 방사선을 조사하면 합금의 구성에 따라 내식성에 긍정적인 영향과 부정적인 영향을 모두 미칠 수 있습니다. 합금 내의 대부분의 원자가 용융염에 녹지 않는 경우 방사선에 노출되면 보호층이 형성되어 부식 과정이 느려집니다. 반대로 대부분의 원자가 용융염에 용해되는 경우 방사선을 조사하면 용해 속도가 증가하여 부식이 가속화됩니다. 쇼트는 “부식에 대한 방사선 조사의 영향은 합금이 이미 좋은 상태인지 나쁜 상태인지에 따라 달라진다"고 설명합니다.
실제 관련성과 실용적인 가이드라인
Short와 Zhou가 실시한 연구에서 유망한 결과를 얻었습니다. “우수한” 합금으로 제작된 원자로에서는 손상을 일으키는 중성자가 소금과 화학 반응을 일으키지 않아 부식 속도가 양성자 기반 실험에 비해 현저히 감소할 것으로 예상되며, 이로 인해 부식성이 낮아질 것으로 예상됩니다. 결과적으로 원자로 엔지니어는 운영 매개변수를 더 유연하게 결정할 수 있어 높은 수준의 안전성을 유지하면서 기존 원전의 에너지 생산량을 늘릴 수 있습니다.
연구팀은 이번 연구 결과의 중요성을 인정하면서도 추가 조사의 필요성을 강조합니다. 다양한 방사선 조건에서 다양한 합금의 정확한 부식 과정을 종합적으로 규명하기 위해서는 여러 추가 프로젝트가 수행되어야 합니다. 또한 다른 연구 그룹이 자체 리소스를 활용하여 연구 결과를 독립적으로 재현하는 것이 중요합니다. 쇼트 박사는 “다음 단계는 다른 연구소가 자체 인프라를 구축하고 우리의 연구 결과를 검증하는 것입니다.“라고 간결하게 말합니다. 그 결과, 쇼트 박사와 저우 박사는 실험 장치의 복잡한 세부 사항과 전체 데이터 세트를 모두 공개적으로 이용할 수 있게 되었습니다.또한 관심을 표명한 다른 기관의 동료들과도 지속적으로 소통하고 있습니다.
저자들의 연구 결과는 원자로용 장비 개발에 관여하는 연구자와 엔지니어 모두에게 중요한 영향을 미칩니다. 한 가지 예로 ‘질량 손실’을 통해 부식을 측정하는 기존의 방법은 용융 염 환경에서는 불충분한 지표라고 주장합니다. 쇼트 박사에 따르면, 이 접근 방식은 궁극적으로 구조적 고장 가능성을 결정하는 균열 깊이에 대한 방사선의 잠재적 영향을 고려하지 않습니다. 따라서 업계 전문가들은 원자력 발전소의 안전과 신뢰성을 보장하기 위해 이러한 연구 결과에 주목하고 그에 따라 전략을 조정하는 것이 중요합니다.
용융염 원자로에 적합한 금속 합금의 선택 과정을 더욱 간소화하기 위해 연구자들은 편리한 기준을 제안했습니다. 니켈과 같이 부식되지 않는 성분의 농도가 높은 합금이 더 나은 성능을 발휘하는 경향이 있습니다. 원자로 내에서 방사선에 노출되면 이러한 합금은 차폐 코팅을 형성하여 부식을 가속화하지 않고 방해합니다. 이 개념은 매우 기본적인 것처럼 보이지만 방사선이 부식을 방해하는 정확한 지점을 결정하는 것은 염 성분, 원자로 중성자 밀도, 중성자 에너지 수준 및 추가 고려 사항을 포함한 여러 변수에 따라 달라집니다. 그럼에도 불구하고 연구진은 엔지니어가 특정
에 가장 적합한 합금을 선택할 수 있도록 포괄적인 규칙을 접근 가능한 형식으로 정리했습니다. 본 연구는 Eni S.p.A.의 재정 지원을 받았으며 MIT 플라즈마 과학 및 융합 센터의 혁신 융합 기술 연구소에서 추가 지원을 제공했습니다. 그 전에는 미국 에너지부 원자력 에너지 대학 프로그램과 미국 트랜스아토믹파워 코퍼레이션으로부터 일부 자금을 확보했습니다. 또한 장비 개발 및 테스트는 미국 트랜스아토믹파워 코퍼레이션의 지원을 받았습니다.
이 기사는 MIT 에너지 이니셔티브의 매거진인 Energy Futures의 Winter 2024 호에 실렸습니다.