중수소 처리된 3 nm 두께의 게이트 산화막을 갖는 MOSFET를 제조하여 정전압 스트레스 동안의 게이트 산화막의 열화를 조사하였다. 중수소 처리는 열처리와 이온 주입법을 사용하여 각각 이루어졌다. 열처리 공정을 통해서는 게이트 산화막내 중수소의 농도를 조절하기가 힘들었다. 게이트 산화막내에 존재하는 과잉 중수소 결합은 열화를 가속시키기 때문에, 열처리 공정을 행한 소자에서 신뢰성이 표준공정에 의한 소자에 비해 저하되고 있음을 확인하였다. 그러나 중수소 이온 주입 방법을 통해서는 소자의 신뢰성이 개선됨을 확인하였다. 스트레스에 의한 게이트 누설 전류 변화 및 구동 특성 변화는 게이트 산화막내의 중수소 농도와 관련이 있으며, 이러한 특성은 적절한 공정 조건을 갖는 이온 주입법을 통해 개선할 수 있었다. 특히, 큰 스트레스 전압의 PMOSFET에서 중수소의 효과가 뚜렷하게 나타났으며, 이는 "hot" 정공과 중수소의 반응과 관련이 있는 것으로 판단된다.
중수는 중수형 원자로의 감속재 및 냉각재로 사용되고 있으며 그 가격이 고가이기 때문에 일단 계통내에서 사용된 후 농도가 낮아진 저등급 중수는 중수승급기를 통해 99.8% 이상으로 농축 재생되어 중수로로 재주입되고 있다. 본 연구에서는 중수승급기의 공정을 면밀히 검토하였고 정상상태의 중수증류공정의 해석을 위하여 이론적인 모델을 제시하였으며 변수들간의 관계식을 설정하였다. 그리고 이 비선형 관계식을 단계적으로 처리하는 알고리즘의 전산 프로그램 UPGR을 개발하였다. 전산코드의 결과는 실제 운전 데이타와 잘 일치하였다. 월성 1호기에서 이를 이용한 운전지침의 제시, 운전효율의 평가, 성능평가 및 성능관리를 수행함으로써 중수승급기의 효율적인 운전에 기여하고 있다.
원전수명관리 측면에서 경수로와 중수로를 비교해 보면, 경수로의 경우 원자로 압력용기가 주요기기중 가장 중요한 위치에 있는 반면에 중수로는 압력관이 가장 중요한 기기이다. 압력관 손상종류는 DHC와 dimensional change로 크게 분류되는데 dimensional change는 creep, 부식마모, 처짐현상으로 구분된다. 본 논문에서는 creep과 부식마모 현상 발생시 예상되는 압력관 두께 변화를 계산하였으며, 중수로 수명관리 측면에서 가동 시작년도부터 50년까지 변화되는 두께를 ASME 허용기준과 비교하였다. creep과 부식마모에 의하여 감소 예상되는 압력관 두께는 50년까지 모두 ASME 허용 Margin안에 있음을 볼 수 있었다.
우리나라는 세계에서 유일하게 경수로와 중수로를 모두 보유하고 있는 국가로 현재 14기의 원전의 기당되고 있다. 지난 85년 핵연료 국산화개발에 성공한 바 있는 원자력연구소 중수로용 개량핵연료개발팀은 최근 월성 원자력발전소와 같은 중수로에 쓰이는 개량핵연료를 개발해 이 분야에서 세계 최고 수준의 기술을 확보하게 되었다. 개발팀의 책임자인 석호천박사는 "우리의 기술력이 세계 최고 수준의 캐나다와 어깨를 나란히 할 수 있게 된 것은 20여명의 팀원들이 뭉쳐 10~20년을 끈질기게 연구해온 결과"라곰 말했다.
중수로에 0.88 w/o 의 순환 핵연료를 사용하여 기존 중수로의 출력을 증강시키는 방안이 모색되었다. 기존 중수로와 양립하여야 하므로, 37봉 핵연료 다발과 CANFLEX 핵연료다발에 대한 격자 특성 계산과 노심 계산을 수행하였다. 열수력 여유도 증가와 고연소도 핵연료를 위하여 개발한 개량 핵연료 (CANFLEX)를 사용하면 원자로의 임계채널출력 (CCP)이 5 % 이상 증대하므로, 기존 원자로의 총 출력을 같은 열수력 한계 내에서 5 % 증가시킬 수 있다. 또한 개량 핵연료 다발에 순환우라늄을 사용하면 기존 월성 원자로의 구조 변화 없이 노심 출력분포의 재 분포에 의하여 15 % 까지 출력을 증강할 수 있다고 평가되었다.
원자력발전소에서는 수질관리를 위하여 여러가지 화학적 매개변수들의 운전범위를 지정하여 관리하고 있다. 특히, 중수를 냉각재와 감속재로 사용하는 중수로의 경우에 일차계통에서는 pH$_{A}$, 전도도, 리튬농도를 중요한 매개변수로 활용하여 관리하고 있다. 본고에서는 중수로의 화학조절지침을 작성하는데 고려되는 매개변수들 사이의 이론적인 상관관계를 검토하고 이러한 이론적인 배경에 기초하여 월성 1호기의 운전자료를 분석한 결과, 운전변수들이 대체적으로 운전범위내에서 잘 유지되고 있음을 알 수 있었다.
중수소 결합이 존재하는 게이트 산화막을 갖는 MOSFET는 일반 MOSFET에 비해 신뢰성이 개선된다고 알려져 있다. 본 연구에서는 MOS 소자의 게이트 산화막내에 중수소를 분포시키기 위해 새로운 중수소 이온 주입법을 제안하였다. MOS 소자를 구성하는 층간 물질 및 중수소가 분포할 위치에 따라 중수소 이온 주입 에너지는 다양하게 변하게 된다. 이온 주입 후 발생할 수 있는 물질적 손상을 방지하기 위해 후속 열처리 공정이 수반된다. 제조된 일반 MOSFET를 사용하여 제안된 중수소이온 주입을 통해 게이트 산화막내 계면 및 bulk 결함이 감소함을 확인하였다. 그러나 이온 주입으로 인해 실리콘 기판의 불순물 농도가 변화할 수 있으므로 이온 주입 조건의 최적화가 필요하다. 중수소 이온 주입된 MOSFET의 CV 및 IV 특성 조사를 통해 이온 주입으로 인한 트랜지스터의 성능 변화는 발생하지 않았다.
기다센쮸 터미널에는 한외 여과와 활성오니 반응조로 구성된 막형 바이오리액터 방식의 중수도 시스템이 가동중인데, 주방배수를 주체로 한 빌딩배수를 재생하여 이용하고 있다. 막형 바이오리액터를 이용하면 프로세스는 단순화되며 설비도 매우 소형화된다. 또한 부하변동에의 대응성, 양호한 처리수질, 경제성 등 우수한 특징을 갖고 있다. 본고에서는 막형 바이오리액터의 특성을 확실히 하고 기다센쮸 터미널에 설치한 중수도 시스템의 실시 예를 소개한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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