BWXT(BWX Technologies, Inc.)사는 2018년 10월 9일 미항공우주국(NASA) 우주기술미션감독부(STMD, Space Technology Mission Directorate) 관리들을 초청하여 자사의 열핵추진(NTP, nuclear thermal propulsion) 프로그램에 대한 진척도 설명과 기술실증을 하였다.

원자로는 지구궤도로부터 화성을 갔다오는 목적으로 설계되는 NTP 로켓엔진의 일부가 될 수 있다. NASA 관리들은 Virginia 주 BWXT사의 Lynchburg에 위치한 첨단기술연구소를 방문하여 미래 유인화성우주선에 채택될 프로그램에 대한 진척상황을 살폈다. 여기에서 첨단 용접, 금속조직학(metallography) 및 연료소자 충진 등 BWXT사가 개발하고 있는 3가지 핵심기술에 대한 시연에 참관했다.

BWXT 측은 NTP는 인간을 화성에 데려다 줄 수 있는 이상적인 추진시스템이라면서 자사의 과학자 및 엔지니어들이 이를 현실로 만들기 위해 매일같이 연구에 집중하고 있다고 밝혔다.

저농축 우라늄 핵연료를 기반으로 한 원자로를 만드는 BWXT사는 우주선용 NTP는 화학연료를 기반으로 한 설계보다 여러가지 장점이 있으며 특히 효율이 높고 출력밀도가 높다고 밝혔다. 따라서 비행시간을 줄이고 우주비행사에게 우주선(cosmic radiation) 피폭을 줄일 수 있다.

BWXT사는 지난 해 NASA로부터 우주 탐사용 초기 원자로 개념설계, 첫 핵연료 및 노심 개발, 인허가 지원 및 엔진시험프로그램 개발 등을 위해 미화 1,880만 불 규모의 계약을 수주한 바 있다. 이 3년 간의 계약기간 동안 원형(prototype) 핵연료를 제조, 시험하고 원자력분야 인허가 요건에 대해 NASA를 지원하게 된다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 열핵추진, 우주기술미션감독부, 출력밀도 2. NTP(nuclear thermal propulsion), STMD(Space Technology Mission Directorate), power density

원자력과 항공우주 산업은 방사선 피폭을 견딜 수 있는 재료를 구할 수 있는가에 따라 발전 방향이 달라질 수 있다. 미시간 대학의 연구진은 같은 농도의 3~4 가지 원소를 더 추가한 합금을 이용하면 방사선 조사에 따른 팽창을 크게 줄일 수 있다는 것을 발견했다.

핵연료 피복재와 같이 고온에서 방사선과 충돌하는 금속이 겪는 큰 문제는 상당히 큰 비율로 팽창하는 경향을 보인다는 것으로 크기가 2배까지 늘어나는 경우도 있다. 무엇보다 이런 팽창으로 다른 구조물과 간섭이 발생할 수 있을 뿐만 아니라 팽창으로 재료의 강도도 변할 수 있다. 즉 재료의 밀도가 떨어져 고온에서 연한 성질을 보이거나 저온에서 딱딱해질 수 있는 것이다.

이런 현상이 발생하는 이유는 입자가 금속 내부를 비행할 때 격자구조 밖으로 원자를 쳐내기 때문인데, 이 자리를 이탈한 원자는 금속 결정을 가로질러 빠르게 이동하지만 이때 남겨진 빈공간은 빠르게 움직이지 못한다. 따라서 같은 장소에서 많은 원자가 이탈한 경우 빈공간은 서로 유착하여 상당한 넓은 공간을 형성한다. 이 빈공간 형성과 팽창을 통제하기 위한 최신 연구는 금속 내부에 마이크로 혹은 나노 구조를 만들어 작은 결함을 흡수할 수 있는 싱크대와 같은 공간을 마련하여 재료의 건전성을 유지하는 것이었다. 하지만 연구를 주도한 루민 왕 교수와 연구진은 예전 이론을 따르지 않고 원자의 결정 구조에 결함이 없는 합금을 찾기로 한 것이다.

오크리지 국립연구소에서 제작된 다양한 니켈 기반 합금 표본을 테네시 대학 방사선 조사 시설에 투입하여 실험을 수행했다. 가장 성공적인 합금은 같은 양의 니켈, 코발트, 철, 혹은 니켈, 코발트, 철, 크롬, 망간을 넣어 주조한 합금이었다. 원래 강도와 연성이 우수한 이 재료에 방사선 저항 특성을 추가할 수 있게 된 것이다.

간단히 말하자면, 크기가 다른 원자가 많이 있으면 과속방지턱이나 웅덩이와 같은 작용을 한다고 볼 수 있다. 따라서 결함이 쉽게 이동하지 못하고 주변에 갇혀 감속되는 것이다. 자리를 이탈한 원자와 빈공간이 결정 구조 내에 가까이 머무르기 때문에 복잡한 합금 내에서는 다른 더 큰 공간으로 확장되기 전에 빈공간이 메워지는 것이다. 이번 연구를 통해 어떻게 방사선 저항성을 갖는 합금 매트릭스를 개발할 수 있는지 이해할 수 있게 되었다.

고온과 강한 방사선 등 극한의 환경을 견뎌야 하는 재료의 특성상 원자로의 수명이 결정되고 많은 비용이 드는 주요 부품 교체가 필요하여 경제성에 영향을 준다. 이처럼 방사선에 보다 잘 견디는 재료를 이용하여 원자력발전소를 건설한다면 자연적으로 수명이 연장될 뿐만 아니라 안전성도 높일 수 있을 것이다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 방사선조사;합금;내방사선재료;원자로 2. irradiation;alloy;radiation resistant material;nuclear reactor

2016년 11월 14일 Nuclear Development사는 미 TVA사(Tennessee Valley Authority)로부터 건설이 중단되어 있는 Bellefonte 원자력발전소를 경매를 통해 미화 1억 1,100만 불에 사들였다. 이 회사는 발전소를 준공시키기 위해 미화 130억 불을 투자할 예정이다. TVA사는 2016년 5월 Alabama주 Hollywood 인근의 1,400 에이커에 달하는 부지와 해당 원전을 매각할 수 있다고 밝힌 바 있고 6월에는 2기의 짓다가 건설이 중단된 가압경수로와 스위치야드, 사무실 건물, 창고, 냉각탑 등의 인프라를 포함한 부지까지 경매를 통해 매각한다고 밝히면서 해당 부지의 최소가격으로 미화 3,640만 불로 평가한 바 있다.

Nuclear Development사는해당 원전을 완공하기 위해  2017년부터 최대 미화 130억 불에 달하는 자금을 추가 투자할 것이라고 밝혔다. TVA사는 1974년 해당 부지를 구입했고 Babcock & Wilcox사가 공급하는 2기의 가압경수로를 건설하기 시작했다. 건설공사는 1988년 중단되었는데 이 떄 1호기는 약 90% 완성된 상태였고 2호기는 58% 가량 완성된 상태였다. 그 이후 해당 원전의 많은 부품이 이전되거나 매각되었고 일부 부품은 업그레이드나 교체가 필요해서 현재는 약 55% 완성된 것으로 평가된다

미 원자력규제위원회(NRC, Nuclear Regulatory Commission)는 2009년 해당 원전의 건설허가의 효력을 복원해 준 바 있다. TVA는 Watts Bar 2를 준공한 이후에는 Bellefonte 1호기를 이어서 준공할 것이라고 2011년 밝힌 바 있다. 하지만 머지않아 회사측은 향후 기저부하 공급에 Bellefonte 원전이 더 이상 필요 없다고 결정했다. Watts Bar 2호기는 2016년 10월 준공된 바 있다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 원전, 벨레폰트, 경매 2. nuclear power plant, Bellefonte, auction

미시간 대학(University of Michigan), 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 연구진은 동일한 농도를 가진 3 개 이상의 원소로 구성된 금속 합금이 방사선으로 인한 팽창에 매우 저항할 수 있다는 것을 발견했다.

고온에서 방사선과 충돌하는 금속의 가장 큰 문제는 금속이 상당히 팽창한다는 점이다. 금속은 거의 두 배의 크기로 팽창한다. 이런 재료들이 팽창할 때, 재료의 강도가 변한다. 즉 재료의 밀도가 떨어진다. 이것은 고온에서 연화되게 하거나 저온에서 경화될 수 있게 한다.

팽창했을 때 발생하는 재료의 공극 형성을 제어하기 위해서, 과학자들은 금속 속에 마이크로 및 나노 구조를 만드는 연구를 수행했다. 이런 마이크로 및 나노구조들은 작은 결함들을 흡수해서 재료의 무결성을 유지하는 역할을 한다. 이번 연구진이 개발한 보다 안전하고 수명이 긴 원자로 디자인은 방사선 저항을 100배까지 높일 수 있다.

이번 연구진은 다양한 니켈 기반의 합금 샘플을 만들었다. 그 후에 이것들을 방사선에 노출시켰다. 가장 성공적인 합금은 니켈, 코발트, 철로 만들어진 결정과 니켈, 코발트, 철, 크롬, 망간으로 만들어진 결정이다. 이런 재료들은 강도와 연성 등에서 많은 우수한 특성들을 가지고 있고, 방사선에 내성을 가진다.

이번 연구진은 수십 년에 걸쳐서 원자로 코어에 축적되는 방사선을 시료에 노출시켰다. 이 실험은 500 ℃ 또는 932 ℉에서 수행되었다. 이런 샘플들은 투과 전자 현미경으로 특성이 분석되었고, 순수한 니켈과 비교했을 때 방사선 손상이 100 배 이하가 된다는 것을 발견했다.

서로 다른 크기의 많은 원자들이 존재한다면, 그들은 서로 충돌한다. 그래서 결함이 발생하는데, 이런 결함으로 인해서 원자들이 부드럽게 움직이지 않을 것이고, 튀어 오르거나 느리게 움직일 것이다. 이 연구는 합금의 방사선 내성 기질을 개발할 수 있는 방법을 더 잘 이해할 수 있게 할 것이다. 또한 이 연구는 원자력 및 항공우주 산업에서 방사선 노출을 견딜 수 있는 재료를 찾는데 새로운 길을 열어 줄 것이다.

이 연구는 저널 Nature Communications에 "Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single phase alloys" 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1038/ncomms13564).

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 방사선 저항력; 금속; 결함; 원자 2. radiation resistance; metal; defect; atom

사고로 파괴된 후쿠시마 원자력발전소에서 청소 임무를 수행하고 있는 원격 조종 로봇의 작동이 중단되었는데, 관계자는 예상치 못한 고준위 방사선의 영향으로 탐사 로봇의 통제를 완전히 상실했을 수 있다고 우려를 표명했다. 이 로봇은 고수압 펌프와 누적 방사선량 1,000시버트까지 견딜 수 있도록 설계된 카메라를 탑재하고 있는데, 이번 주 초 손상된 후쿠시마 2호기 내부로 투입되었다고 도쿄전력이 밝혔다. 이 로봇은 탐사를 시작하고 2시간 만에 손상된 것으로 알려졌다.

지난주 도쿄전력은 이 탐사 로봇이 사람을 즉사시킬 수 있는 치사 피폭량인 시간당 530시버트를 견딜 수 있다고 말한 바 있는데, 이번 실패 이후 방사선량 측정치 600시버트는 기본적으로 예측이 정확했음을 보여준 것이라고 말했다. 30%에 달하는 오차를 반영하여 방사선량을 추정하더라도 원자로 내부의 방사선 수치가 기록적으로 높다는 것은 분명하다. 이 방사선량은 가이거 계수기나 선량계로 직접 측정할 수 없지만 장비에 준 영향을 통해 계산할 수는 있다.

지난달, 이 원자로 압력용기 하부에서 1제곱미터가 채 되지 않는 구멍이 발견되었다. 그레이팅 강판에 생긴 이 구멍은 용융된 핵연료가 만든 것이 분명해 보인다고 도쿄전력이 말했다. 최근 탐사 임무도 용융된 핵연료가 이 부근에 있는 것을 증명하고 있다.

원자로 내부에 극도로 높은 수준의 방사선이 기록되었지만 외부로 누출은 없다고 도쿄전력 측은 주장했다. 하지만 이번 실패는 도쿄전력이 손상된 후쿠시마 원자로 내부에서 용융된 핵연료의 위치를 파악하기 위해 로봇을 이용하는 전략을 수행함에 있어 방사선 수준을 다시 평가할 필요가 있음을 보여주고 있다.

방사선으로 손상된 로봇은 두꺼운 흙이나 다른 파편들을 고압수로 제거하여 다른 원격 조종 탐사 로봇이 해당 지역에 진입할 수 있도록 길을 열어줘 추가 투입되는 탐사 로봇이 손상된 원자로의 상태를 평가하도록 하는 임무를 수행할 예정이었다. 이전에도 특수 제작된 로봇을 원자력발전소 지하에 고인 물속을 탐사하기 위해 투입했으나 고준위 방사선의 영향으로 작동이 중단된 바 있다.

2011년 3월 지진과 쓰나미로 발생한 정전 때문에 원자로 6기 중 3기에서 노심용융 사고가 발생한 후쿠시마 원자로는 1986년 체르노빌 사고 이후 최악의 원자력 사고로 기록되고 있다. 현재까지 초기 단계의 피해 조사를 진행 중인 도쿄전력은 시설 해체에는 수십 년이 걸릴 것으로 추정하고 있다. 

원자로 사고 현장과 같은 극한 공간에서 작업을 지원하기 위한 로봇이 개발되어 파괴된 후쿠시마 원자로에 투입되고 있지만 전례없는 수준의 고준위 방사선을 극복하는 것이 얼마나 어려운 일임을 보여주고 있다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 원자력사고;원자로;노심용융;로봇;방사선 2. nuclear accident;nuclear reactor;reacotr meltdown;robot;radiation

일본 후쿠시마 제1원전 내 손상된 원자로의 방사선 준위를 측정하는데 소형 드론이 사용될 계획이다. 영국에서 개발한 RISER(Remote Intelligence Survey Equipment for Radiation)은 이미 영국 셀라필드에서 성공적으로 사용된 바 있다.

경량 RISER 드론은 GPS 신호가 도달하기 어려운 위험시설 내에서 자체 비행을 위해 레이저를 사용한다. RISER 드론은 드론과 RISER라는 방사선 맵핑(mapping) 소프트웨어 등 2가지의 독립적인 기술을 결합한 것이다. 이 기술들은 영국 NDA(Nuclear Decommissioning Authority) 및 정부기관인 Innovate UK로부터 연구개발 기금을 지원받은 바 있다.

영국 Cumbria 지역 내 Cockermouth을 기반으로 하는 컴퓨팅 및 전자설계 회사인 Createc사의 N-Visage 방사선 맵핑 소프트웨어(radiation mapping software) 프로젝트는 NDA 연구개발사업에서 미화 7만 불 가량을 초기 개발단계인 2009년 지원받았다. 3년 후 NDA는 혁신적 원자력 프로젝트 추진을 위해 다른 정부기관 프로그램에 참여하였다. 이를 통해 Createc사와 비행시스템 전문개발기관인 Blue Bear Systems Research의 협업이 이뤄져 RISER를 탄생시킨 것이다.

이 드론은 직경 1 미터이며 자체 충동회피 기능을 이용해 비행한다. 복잡한 산업시설 내에서 정확하게 조작할 수 있으며 맵핑시스템에 정보를 송출, 표시할 수 있으며 오염지역을 표시할 수 있다. N-Visage 기술은 아주 정확한 수준으로 빠르고 안전하게 3차원 방사선 오염 지도를 그릴 수 있다.

셀라필드에서 일련의 현장시험을 거친 후 RISER은 폐로를 위한 준비작업에도 투입되었다. 이 드론은 고도로 오염된 Windscale Pile 굴뚝에서 시각정보를 수집하는데 사용되었다. 이 정보는 이 시설을 어떻게 제염하고 해체할지를 결정하는데 사용될 예정이다. RISER는 후쿠시마 제1원전 원자로 건물에서 몇 년 전 사용된 바 있으며 드론에 실려 후쿠시마 원전사고 해결을 위해 다시 돌아온 것이다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 방사선 준위,드론,충돌회피 2. radiation level,drone,collision avoidance

동종의 박테리아만을 꾸준히 생산하며, 가능한 모든 스트레스에 저항하는 능력을 개발하는 것은 발효 식품 품질 유지를 위해서 굉장히 중요한 일이다. 프랑스의 연합 연구팀은 특정 세포의 생화학, 생리학적 특징들을 결합시켜 세포의 동결에 대한 내성 표지를 밝혀내는데에 성공하였다.

내성 표지를 밝히기 위해 연구팀은 서로 다른 발효 및 동결 환경에 있는 박테리아를 준비하였고, 특정 환경에서 박테리아들이 발하는 적외선 파장대의 스펙트럼을 Synchrotron radiation 하에서 FTIR을 이용하여 정밀측정하였다. 보다 자세한 연구를 위해 표본용 박테리아들에 형광 표지를 부착함으로써, 박테리아들을 개별화하였고, 각각의 특성을 정밀 검사할 수 있었다.

이 연구를 통해, 지질 사슬 속 메탄 그룹의 양, 2차 나선 구조 속의 단백질의 양 등이 박테리아의 동결에 대한 저항을 결정하는 것을 밝혀냈다. 또한 앞서 밝힌 조건들은 인위적으로 조절하는 기술에 대한 긍정적인 반응도 함께 밝혀, 미래의 발효식품 산업에서 수율 문제를 해결하기 위한 첫걸음이 된 것으로 평가된다. 또한 이번 연구는 젖산균 에 특정되어 연구되었지만, 결과적으로 모든 종류의 박테리아에 같은 분석기법이 응용되어 각 박테리아들의 특징 그리고 특정 조건 하에서의 데미지 등을 분석할 수 있음을 시사하였다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 젖산균, 동결, 스트레스 2. LACTIC ACID BACTERIA, FREEZING, STRESS