과학기술부는 우리나라를 비롯, 미국, 프랑스, 일본 등 원자력 선진국 11개국이 공동 추진하고있는 ‘제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF)’ 정책그룹회의 참가를 계기로 본격 참여키로 했다고 밝혔다.
이달 1윌부터 3일까지 제주 라마다플라자 호텔에서 열릴 이번 회의에는 우리나라 GIF 정책그룹대표인 과학기술부 조청원 원자력국장, 한국원자력연구소 장문희 신형원자로개발단장을 비롯, GIF 회원국 정책그룹대표단 50여명이 참석, 제4세대 원자력시스템 개발을 위한 다국간 협력협정 문안 및 향후 추진계획을 수립한다.
GIF회원국들은 이어 오는 11월께 4세대 원자력시스템 개발을 위한 다자간 협력 협정을 체결, 내년부터 공동개발에 착수할 예정이다.
과기부는 “본격적인 공동연구개발을 위한 다자간 국제공동연구 협력협정은 빠르면 올해 내에 GIF 회원국 정부간에 체결될 예정”이라며 “2005년 부터는 각 시스템별로 국제공동연구개발이 추진될 수 있을 것”이라고 전망했다.
우리나라는 이미 독자적 기술개발에 성공한 한국형표준원전(KSNP), APR-1400(KSNP 개량형), SMART(해수담수용 중소형원자로) 등 제3세대 원자로의 설계기술을 기반으로 미래형 원자로개발에 주도적으로 참여할 계획이다.
제4세대 원자로개발은 우리나라와 미국, 프랑스, 일본, 유럽연합 등이 공동으로 미래의 급격한 에너지 고갈에 대비하기 위해 추진중인 사업으로 지난 2000년 1월 원자력 활동이 활발한 미국 등 주요 8개국과 함께 국제포럼을 결성, 국제공동 연구개발을 추진하기 위한 회의를 시작했다.
이 포럼에서는 2002년에 제4세대 원자로로 가장 적합한 원자로 개념 6개를 선정하고 기술지도(연구개발 로드맵)을 작성해 공동개발 전략을 수립한 바 있다.
제4세대 원자력시스템은 2020∼30년경 실제 활용을 목표로 추진중인 미래 혁신형 원자로. 연료의 활용성을 높여 에너지 공급이 지속적이고 폐기물 발생량이 적어 환경부담을 감소시킨다.
4세대 원자로 특징
◆ 가스냉각 원자로(GFR)
GFR은 고속중성자 스펙트럼의 헬륨(helium) 냉각재 원자로로서 재순환 핵연료주기를 적용하고 있다. 헬륨을 사용하여 원자로의 출구온도가 높기 때문에 전력생산, 수소생산 및 공정열 생산을 고효율을 가지고 제공 가능하다.
참조노형은 출력 288MWe로 출구온도는 850℃이며, 직접형 브라이튼 가스터빈을 사용하여 열효율 향상을 꾀하고 있고, 연료의 형태는 혼합세라믹, 입자형 및 세라믹피복재 등이 있으며 핵분열생성물의 감금이 뛰어나다.
◆ 납냉각 원자로 (LFR)
LFR은 고속중성자 스펙트럼을 가지고 있고, 납 또는 납/비스무스 혼합물 액체금속을 냉각재로 사용하는 원자로이다. 우라늄 변환의 효율 및 악티나이드의 완전재처리를 위하여 재순환 핵연료주기를 택하고 있으며, 50-150MWe급 배터리 타입의 장주기 재장전형과 300-400MWe급 모듈형, 그리고 1,200MWe급 대형의 3가지 선택대안이 있다.
연료는 핵분열물질의 원료가 되는 우라늄과 초우라늄계열을 함유한 금속 혹은 질화물의 형태이고, 자연순환 냉각시스템으로서 출구온도는 550℃이나 재료의 개선을 통해 800℃까지 격상이 가능하다. 또한 고온열을 이용하여 열화학공정에 의한 수소 생산도 가능하다. 배터리형 시스템은 15-20년의 재장전주기를 가지며, 소용량 전력계통용으로 전력을 생산하고, 수소생산 및 이동형의 에너지원으로 설계되고 있다.
◆ 소듐냉각 원자로 (SFR)
SFR은 고속중성자 스펙트럼의 소듐냉각로로서 악티나이드 처리와 우라늄의 변환을 위하여 재순환 핵연료주기를 택하고 있다. 건식열처리 공정에 의한 우라늄·플루토늄·소량 악티나이드·지르코늄 금속연료를 사용하는 150-500MWe급 중형 시스템이 선택 대안중의 하나이고, 습식공정을 통한 우라늄·플루토늄 산화혼합물 연료를 사용하는 500-1500 MWe급 중?대형 시스템이 또 다른 선택 대안이다. 출구온도는 두 경우 모두 550℃로서 수소생산 등에는 적합하지 않다.
고준위폐기물 중 특히 플루토늄과 다른 악티나이드 처리가 중요한 설계 특성이며, 시스템의 중요 안전 특성으로는 냉각재 비등 여유도 확보, 1차계통의 낮은 압력 유지(거의 대기압조건), 중간 나트륨 순환루프 사용에 따른 방사성물질의 1차 계통 내 잠금 능력이 탁월한 것을 들 수 있다.
◆ 용융염로 원자로(MSR)
MSR은 순환하는 용융염 연료혼합물 내에서 핵분열 에너지를 생산하는 시스템이다. 열영역이상(epithermal) 중성자 스펙트럼과 악티나이드 완전재순환핵연료주기를 가지고 있다. 연료는 나트륨/지르코늄/불화우라늄 액체혼합물이며, 흑연으로 되어 있는 노심채널 내를 흐르고 있다. 용융염에서 생성된 에너지는 중간 열교환기를 거쳐서 2차계통으로 전달되며, 제3의 열교환기에서 에너지를 변환된다.
참조 용량은 1,000MWe이며 출구온도는 700℃로 열효율을 증가시켜 800℃로 격상이 가능하다. 플루토늄과 소량 악티나이드를 효율적으로 연소시킬 수 있도록 하는 재순환 핵연료주기를 채택하고 있고, 액체형의 핵연료이기 때문에 연료의 성형 가공이 필요없고, 플루토늄과 같은 악티나이드의 첨가가 용이한 특성을 가지고 있다.
◆ 초고온가스 원자로 (VHTR)
VHTR은 흑연 감속, 헬륨 냉각형 원자로로서 비순환 핵연료주기를 채택하고 있고, 노심의 출구온도는 1,000℃로 수소생산이나 석유화학 산업 등의 공정열 제공에 사용 가능하다.
참조노형은 600MWth급으로 각주형(prismatic)의 블록이나 조약돌형 페블 베드형 노심을 가지며, 수소생산용 요오드-황(iodine-sulfur) 열화학공정에 효율적인 열공급이 가능하다.
VHTR은 복합발전(수소생산+전력생산) 등 광범위한 활용을 위한 설계로서, 고온, 에너지 집약적, 비전력 공정에 공정열을 공급하도록 설계하고 있고, 복합발전(co-generation) 수요 충당을 위해 전력생산 설비도 구비토록 설계하고 있다.
◆ 초임계수냉각 원자로 (SCWR)
SCWR은 물의 임계점(374℃, 22.1MPa) 이상에서 운전되는 고온?고압의 수냉각로이다. 초임계수의 사용으로 인하여 원자로 보조계통(BOP)을 간소화시킬 수 있고, 이에 따라 현재의 경수로에 비해 열효율을 1/3이상 향상시킬 수 있는 특성이 있다.
참조노형은 1,700MWe급으로서 25MPa의 압력에서 운전되며 출구온도는 510℃이나 550℃까지 격상이 가능하고, 전원을 사용하지 않는 수동 안전특성을 가지고 있다. 전력생산을 효율적으로 하기 위한 것이 기본적인 설계 방향이며, 열중성자형과 고속중성자형의 두가지 선택대안이 있다. 즉, 열중성자 스펙트럼을 이용한 비순환 핵연료주기와 습식처리 방식을 이용하는 고속중성자 스펙트럼의 재순환 핵연료주기이다.
한수진 기자 popsci@sed.co.kr
< 저작권자 ⓒ 서울경제, 무단 전재 및 재배포 금지 >
