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이진주 기자의 원자력 포커스 – 원전기술의 비약적 발전…이제는 4세대

  • 2015.09.09.
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온실가스를 배출하지 않으면서 비용 대비 효율이 뛰어난 원자력 발전이 주목받고는 있지만, 안전성에 대한 문제는 여전히 제기된다. 때문에 원전 건설 기술은 지속적으로 보다 더 경제적이고 안전한 방향으로 발전해왔다.

우리나라 역시 발전소 배치와 시공물량을 최적화해 경제성을 높인 1000MW급 한국표준형원전(OPR1000)과 이 보다 한 단계 더 업그레이드한 1400MW급 한국형 신형경수로(APR1400)를 자체 개발, 트렌드에 발맞춰 기술을 발전시켜 왔다.

최근 원전 건설 기술은 안전성과 경제성, 핵 비확산성 등을 높인 제4세대 원자로 개발에 초점이 맞춰져 있다.
전 세계 원전 선진국들은 안전성, 적은 방사성폐기물, 높은 경제성, 핵확산 저항성 등을 목표로 원전 건설시스템을 개발 중이다.

이미 지난 2001년 한국과 미국, 일본, 프랑스, 영국, 스위스, 남아프리카공화국, 캐나다, 브라질, 아르헨티나 9개국이 ‘제4세대 원자력 시스템 국제포럼’(GIF)을 창설했으며, 현재는 13개국으로 늘었다. 4세대 원자력시스템을 적용한 원자력발전소를 실용화한다는 게 이들의 최종목표다.

현재 구체화된 신개념 원자로는 가스냉각고속로, 납냉각고속로, 소듐냉각고속로, 용융염로,초고온가스로, 초임계수냉각로 등인데 우리나라의 경우 소듐냉각고속로와 초고온가스로를 선택해 개발 중이다.

 

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◆ 우라늄 소비와 방사성폐기물 양 1/100로 줄인 소듐냉각고속로

소듐냉각고속로는 6개의 신개념 원자로 중 실현가능성이 가장 높은 기술로 평가받고 있다.

현재 가동 중인 경수로가 핵연료를 한 번 쓰고 처분하는 데 비해 소듐냉각고속로는 사용한 연료를 재활용해 우라늄 이용률을 100배 이상 높일 수 있고, 고준위방사성폐기물량을 100분의 1 수준으로 크게 낮출 수 있다. 방사성 폐기물의 독성유지 기간을 기존 수만 년에서 수백 년 단위로 줄이는 기술인 셈이다.

게다가 금속핵연료를 사용해 열전달이 우수하고 수소가 전혀 나오지 않기 때문에 수소로 인한 폭발 사고는 생길 가능성이 없다. 또 원자로의 냉각기능이 마비돼도 자연현상만으로 원자로를 냉각시킬 수 있는 ‘피동 원자로 잔열제거’ 시스템을 도입해 원자로 노심용융 사고를 방지할 수 있다.

우리나라가 개념설계를 마친 전기용량 600MW급의 풀형 원자로 ‘칼리머-600’은 제4세대 원자력시스템 국제포럼에서 제4세대 소듐냉각고속로 개념 중 하나로 선정됐다. 세계가 우리나라의 소듐냉각고속로 설계기술을 인정한 것이다.

 

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◆가장 안전하고 경제성 뛰어난 초고온가스로

헬륨을 냉각재로 흑연을 감속재로 사용하는 초고온가스로(VHTR)는 제4세대 미래원자력시스템 국제포럼이 선정한 6개 신개념 원자로(가스냉각고속로, 납냉각고속로, 소듐냉각고속로, 용융염로, 초고온가스로, 초임계수냉각로) 중에서 가장 안전하고 경제성도 뛰어난 원자력시스템으로 평가받고 있다.

자연현상인 원자로의 열전도와 복사냉각만으로도 잔열을 제거해 원자로를 냉각시킬 수 있어 여러 가지 사고가 발생하더라도 원자로의 안정성을 확보할 수 있다.

또 초고온가스로는 고온의 열에너지를 이용해 원자로에서 발생하는 열에너지의 50%를 활용할 정도로 에너지 효율이 뛰어나다. 특히 황이나 요오드 같은 촉매를 이용해 900℃ 수준에서 물이 저절로 수소와 산소로 분해되도록 해, 대량의 수소를 생산할 수 있다.

이처럼 초고온가스로는 수소를 대량 생산해 수소자동차와 같은 다양한 산업 분야에 활용할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있다. 덕분에 수소연료를 사용하는 미래의 ‘수소경제’ 시대에 대량의 수소를 값싸게 제공할 수 있어 에너지 문제와 온실가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 기술로 세계가 주목하고 있다. 실제 우리나라를 비롯해 일본, 미국 등 10여 개국이 본격적으로 연구에 참여해 개발에 나서고 있다.

초고온가스로는 공동연구개발도 진행 중이지만 각국이 독자적으로 개발계획을 수립하고 추진 중이기도 하다. 미국은 NGNP(Next Generation Nuclear Plant) 사업을 통해 전력생산, 산업체 열공급, 수소생산을 위한 실증로 건설사업을 진행 중이다.

일본은 1998년부터 30MWt 열출력을 갖는 초고온가스 실험로를 운전 중이며, 2010년 950℃로 50일 이상 운전하는 데 성공했다. 중국은 베이징 인근에 고온가스실험로를 건설해 운용한 경험을 바탕으로 산둥반도 지역에 고온가스원자로를 건설하고 있다.

머지않은 미래에 안전하고 경제성이 뛰어나며, 적은 방사성폐기물로 지속가능한, 핵확산저항성을 갖춘 제4세대 원자로를 만날 수 있을 것이다. 그 때가 되면 원자력발전에 대한 개념과 인식도 지금과는 많이 달라질 것이다.

 

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◆ 우리나라 연구기술 이외의 4세대 원자로

가스냉각고속로

기체를 제1차 냉각제로 이용하는 원자로를 이야기한다. 냉각재로 이용하는 기체는 공기․질소․이산화탄소․헬륨 등으로, 기체를 냉각재로 이용하면 안정성이 높다는 게 특징이다. 또 중성자의 흡수에 의한 손실이 적고 비교적 고온에 견디는 등의 이점이 있다. 그러나 액체 냉각재에 비해 열전달이 나쁘다는 단점도 있다.

용융염로

1차 냉각 계통으로 용융염을 사용하는 원자로 유형으로, 용융염의 낮은 증기압과 안정성이 장점이다. 또 액체 나트륨보다 반응성이 낮으며, 고열을 뽑아낼 수 있어 높은 열효율을 보여준다.

이 원자로에서 사용되는 핵연료는 고체 연료봉을 쓰거나 아님 연료를 녹여 냉각제에다가 집어넣는데, 원자로 구조의 간소화, 연소도의 균일화, 그리고 원자로 작동중에도 재처리를 할 수 있게 됐다. 노심에서 열을 빼내는 데 효과적일 뿐 아니라, 펌프와 파이프, 그리고 노심의 크기를 줄여 크기를 대폭 줄일 수 있다는 것도 장점이다.

초임계수냉각로

냉각재와 감속재로 초임계수를 사용하는 원자로로, 현재의 가압수형 원자로와 비등수형 원자로의 특징을 모두 가지고 있다. 이 원자로는 경수로 기술과 최신 화력발전 기술인 초임계압 기술을 합친것으로, 일반 열 원자로에 비해 열효율이 더 높다는 장점을 가지고 있다.

 

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