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사용후핵연료, 10만 년 후까지 안전하게

2020-10-23 교육

산업통상자원부가 주최한 ‘2020 에너지혁신인재 포럼’에서 신우섭 일반대학원 원자력공학과 석사과정 학생이 ‘2020 에너지인력양성사업 학생연구 우수성과 경진대회’ 산학협력 부문 최우수상(산업통장자원부장관상)을 받았다. 신우섭 학생은 사용후핵연료 저장시설의 건전성 평가 연구를 수행한 성과를 인정받았다.

신우섭 학생, 에너지인력양성사업 학생연구 우수성과 경진대회 산학협력 부문 최우수상 수상
사용후핵연료 저장시설의 건전성 평가 연구 통해 산학수요맞춤형 인재로 인정받아

지난 9월 말 개최된 ‘2020 에너지혁신인재 포럼’에서 신우섭 일반대학원 원자력공학과 석사과정 학생이 ‘2020 에너지인력양성사업 학생연구 우수성과 경진대회’ 산학협력 부문 최우수상(산업통장자원부장관상)을 받았다. 산업통상자원부가 주최한 2020 에너지혁신인재 포럼은 ‘그린뉴딜 시대의 일자리와 인재상’을 주제로 에너지인력양성사업의 우수성과를 공유하고, 향후 에너지 분야 인재육성 방향을 모색하기 위해 마련된 자리다.

온라인 생중계 방식으로 진행된 이날 행사는 시상식, 기조강연 및 좌담회 순으로 진행됐다. 시상식에서는 태양광, 수소·연료전지, 온실가스 등 그린뉴딜의 핵심 분야에서 인재양성 공로를 인정받은 교수 2명과 탁월한 연구와 산학협력 성과를 보인 학생연구원 10명에게 포상이 수여됐다.

신우섭 학생은 사용후핵연료 저장시설의 건전성 평가 연구를 수행해 지난 9월 SCI 저널 <Computational Materials Science>에 관련 논문을 게재하고(논문명: Phase-field modeling of hydride reorientation in zirconium cladding materials under applied stress), 한국원자력학회가 주관한 2020 춘계학술발표회에서 우수논문상을 받았다. 이 같은 성과를 인정받아 이번 포럼에서 상을 받게 됐다. 신우섭 학생을 만나 자세한 얘기를 들었다.

피복관 내 수소화물 재배열의 문턱 응력 시뮬레이션
Q. 에너지 분야 산학수요맞춤형 인재로 인정받았다. 수상을 축하한다.
운 좋게 기회를 잡았다고 생각한다. 지금까지 연구를 수행하며 거둔 성과와 주어진 기회가 맞아떨어졌다. 앞으로 정진할 기회를 또다시 얻은 것 같다.

Q. 사용후핵연료 건식저장시설의 건전성 평가 연구를 수행했다. 어떤 연구인가?
원자력발전에서 핵물질이 외부로 누출되면 안전에 심각한 악영향을 끼치게 된다. 따라서 사용후핵연료가 건식저장시설에 들어간 이후 짧게는 수십 년에서 길게는 10만 년까지의 건전성이 평가돼야 한다. 그래야 국민 불안을 덜 수 있다. 이를 평가하기 위해서는 시뮬레이션이 필요하다.

이때 핵연료를 감싸고 있는 피복관이 중요하다. 피복관이 핵물질의 외부 누출을 막아주는 첫 번째 역할을 수행하기 때문이다. 피복관은 지르코늄(Zirconium)이라는 금속으로 돼 있고, 이 안에서 수소가 흡수된다. 사용후핵연료가 건식저장시설로 들어가면 온도는 낮아지고, 핵분열 생성 가스(fission gas)가 생성되면서 압력은 높아져 흡수된 수소화물이 석출(析出)된다.

이 과정에서 피복관 재료의 열화가 발생한다. 그중 수소화물이 원주 방향에서 반경 방향으로 석출이 일어나는 것을 수소화물 재배열(hydride reorientation)이라고 하는데, 이는 재료의 건전성을 크게 떨어뜨린다. 수소화물 재배열에서 발생하는 문턱 응력이 건전성을 떨어뜨리는 주요인자로 파악했고, 이에 대한 충분한 평가 및 분석이 필요하다고 판단했다. 시뮬레이션을 거쳐, 수소화물의 형성 및 변화, 수소화물 재배열의 문턱 응력을 확인할 수 있었다.

Q. 기존 연구와의 차이점이 있다면?
많은 연구자가 시뮬레이션을 통해 수소화물 재배열에 관해 연구하는데, 여기서 가장 중요한 것이 압력 때문에 발생하는 스트레스이다. 스트레스에서 회전이 발생해 반경 방향으로 석출되는 문턱 응력을 컴퓨터로 계산한 것이 차이점이다. 완벽히 연구하려면 50MPa에서 100MPa 정도의 규모로 실험을 진행해야 하는데, 현재는 10배, 20배 정도 축소해서 진행했다. 실제 크기처럼 무한정 키우면 연구 진행이 어려워 작게 실험했더니 문턱 응력이 크게 나타났는데, 시스템 사이즈를 실제 피복관 사이즈로 키우게 되면 문턱 응력도 작게 나타난다.

“원자력공학과에서는 원 없이 공부할 수 있어”
Q. 연구하면서 어려운 점은 없었나?
큰 어려움은 없었다. 1년간의 연구 기간 중 7개월은 실험이 제대로 진행되지 않아 고민했다. 그러던 중 지도교수님이신 장근옥 교수님과 대학원 동료들과 함께 국제학회에 참석하기 위해 미국에 갈 기회가 생겼다. 그곳에서 만난 교수님이 접근 방식에 대해 조언해주셔서 한국으로 돌아와 실험에 적용했더니 거짓말처럼 그동안 되지 않던 것이 해결됐다. 그때 참 좋았다.

Q. 대학원에 진학하게 된 계기는 무엇인가?
학부 때 원 없이 공부했다. 경희대학교 원자력공학과에서는 자부심을 가질 정도로 공부를 많이 하게 된다. 전공 공부가 재미있지만 전문가가 되기엔 아직 부족하다는 생각이 들었고, 이 분야를 좀 더 연구해보고 싶어 대학원에 진학하게 됐다. 장근옥 교수님께서 학부생 때 상담을 해주셨는데, 마침 교수님 연구 분야가 원자력재료였고, 관심 분야여서 더욱 대학원에 오게 된 것 같다. 물론 공부를 하면 할수록 모르겠다는 생각도 든다. (웃음) 배움에는 끝이 없다.

Q. 향후 계획이 있다면?
현재 연구 방향을 포괄적으로 말하자면 지르코늄의 산화 과정에서 일어나는 현상에 관한 연구이다. 계획하고 있는 부분까지 잘 마무리해 논문을 쓰는 것이 목표이다.

글 박은지 sloweunz@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr

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