[논문]연구용 원자로 하나로와 녹색성장

임인철; 김명섭; 성백석; 이기홍; 김태주; 이희주

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한국원자력연구원의 다목적 연구용 원자로, 하나로는 중성자 이용 물성 연구 등 다양한 분야에 사용되며, 중성자는 녹색기술 관련 소재의 생산과 특성 분석에 매우 유용한 도구이다. 중성자 도핑을 이용하여 생산되는 반도체는 그린 카에 사용되는 전력 소자에 활용되고 있다. 중성자 산란 실험 장치들은 이차전지 재료와 수소저장 물질의 물성 연구에 활용되고 있다. 중성자 비파괴 검사 장치는 연료전지의 성능 연구에 활용되고 있다. 고속중성자를 이용하여 스위칭 소자의 특성을 개선하는 기술과 장치가 구축되면 전력 소자의 효율 증대에 기여할 것이다.

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문제 정의

특히 최근에는 전 세계적으로 요구되는 녹색 기술 분야와 관련된 이용 요구가 급증하고 있다. 이 글에서는 하나로에서 진행되는 녹색 기술 관련 연구 및 응용 분야를 소개하고 녹색 성장에서 하나로의 역할을살펴보고자 한다.
진행되고 있다. 이들의 목표는 수소 저장량 4wt%(상온,100 bar) 이상 및 체적밀도 45kg/m3 이상의 수소를 저장할 수 있는 효율적이고 경제적인 재료 및 수소 저장 시스템 개발과 원천기술확보에 있다.

대상 데이터

하나로는 한국원자력 연구원의 열출력 30MW 연구용 원자로(research reactor)이다. 핵분열에서 발생하는 열을 이용하여 주로 전기를 생산하는 발전용 원자로' 와는 달리 연구용 원자로는 핵분열에서 발생하는 중성자를 각종 연구실험 및 산업 응용 분야에 이용한다.

성능/효과

수소와 산소를 연료로 사용하는 연료전지는 에너지 변환 효율이 높고 환경 친화적이기 때문에 차세대 동력원으로 각광받고 있으며, 성능 향상을 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행 중이다.(9) 연료전지 성능을 결정흐}는 여러 인자 중, 운전 과정에서 생기는 물은 전해질 내에 존재하는 양에 따라 수소 이온 전도성과 연료 공급에 큰 영향을 미치기 때문에 연료전지 성능 향상을 위해서는 물 관리가 필수적이다.(1。)그러나 연료전지는 불투명 금속막을 가지고 있기 때문에 연료전지 내부, 특히MEA(Membrane Electrode Assembly) 가시화는 기존의방법으로는 불가능하며, 오직 중성자만 가능하다.
이 결과를 해석하면 충방전 후 LiMn2O₄(88 wt%) 이외에 새로운 LiF(12 wt%) phase가 생성되는 것을 알 수 있는데, 이는 현재 사용되고 있는 리튬이차전지의 전해액을 개질할 필요성을 제시하는 중요한 결과이다.

후속연구

그러나 SiC 등 전기 동력 제어를 위한 소자 재료 개발 속도는 자동차 발전 속도에 크게 미치지 못하고 있다. 따라서 Si 재료의 효용성을 극대화하는 NTD 기술이 크게 주목받고 있으며, 전용 중성자원의 건설 등 현재의 NTD 용량을 획기적으로 증가시킬 수 있는 계기가 마련된다면 NTD 기술의 녹색 성장에의 기여는 크게 확대될 것이다.
이 경우 MEA 내에서의 물 이동 등 소영 역에서 일어나는 현상을 분석할 수 있다. 또한 냉시동, 금속 분리판 등 다양한 운전 조건에서 발생하는 여러 현상들을 이해하고, 이를 바탕으로 연료전지 성능 향상에 크게 기여할 것이다.
수소 생산기술과 이용 기술을 연결하는 매개체적인 역할을 하는 수소 저장 기술은 수소 에너지 활용을 극대화시키기 위해 그 연구가 활발히 진행될 것이며, 특히 나노 물질을 포함한 수소저장 재료에 대한 연구가 그 주를 이룰 것이다. 수소 자체 및 수소 저장 재료의 구조 및 동역학적 정보를 측정하는데 있어서 탁월한 장점을 갖는 중성자 산란 연구기법의 중요성을 고려할 때, 하나로의 중성자 과학 연구시설을 이용한 원천연구는 수소 경제 시대를 견인하는데 큰 기여를 하게 될 것으로 기대된다.
그 이유는 리튬 이온 이차전지의 작동원리가 양극과 음극간 리튬 이온의 이동에 의해서 발생하는 충방전현상이므로, 리튬 이온의 이동 시 발생하는 전극 내의 구조 변화가 균일하지 않게 된다면 전극물질의 열화 가능성이 증가하여 시스템을 불안정하게 만드는 요소로 작용할 수 있기 때문이다. 이러한 구조변화를 정확하게 충방전 동안 m-situ로 확인 가능하다면, 전극물질 합성 및 분석에 도움이 될 것이다.
충, 방전 기구를 규명할 수 있다. 이러한 실험 자료는 새로운 저장 재료 설계에 크게 기여할 것이다. 수소 생산기술과 이용 기술을 연결하는 매개체적인 역할을 하는 수소 저장 기술은 수소 에너지 활용을 극대화시키기 위해 그 연구가 활발히 진행될 것이며, 특히 나노 물질을 포함한 수소저장 재료에 대한 연구가 그 주를 이룰 것이다.
하나로에서는 차세대 전지의 열화 성능 평가에 필요한 충방전-온도 동시 조절 시료 환경 장치를 개발하여, in-situ 특성 시험을 상용재료에 적용하고 있다. 이러한 하나로의 중성자 이용 장치는 고출력 차세대 전지의 개발 및 열화 기구 규명에 크게 기여할 것이다.
소자의 열적 특성이 크게 향상되므로 소자의 소형화, 집적화가 가능하게 된다. 즉 차량용 전장부품과 같이 극한 환경에 노출되어야 하는 분야에 응용된다면 미래 추세인 자동차의 전자화 및 지능화에 크게 기여할 것이다.
현재 하나로 중성자 영상장치의 공간 및 시간 분해능 은 와 2~3초이지만, 고성능 섬광체 개발과 분석 기법의 발전으로 인해 향후 50俱n 이하까지도 가능할 것으로 예상된다. 이 경우 MEA 내에서의 물 이동 등 소영 역에서 일어나는 현상을 분석할 수 있다.

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