제4세대 원자력시스템 개발(GenⅣ)을 위한 다국간 협력협정 문안 및 향후 추진계획 수립을 논의하기 위한 ‘제4세대원자력시스템 국제포럼(GIF)’의 정책그룹회의가 지난 1일부터 3일까지 제주 라마다플라자 호텔에서 열렸다.

GIF 회원국 정책그룹대표단 50여명이 참석한 이번 회의에서는 제4세대 원자력시스템 개발을 위한 다국간 협력협정 문안 및 향후 추진계획 수립을 위해 논의를 펼쳤다.

본격적인 공동연구개발을 위한 다자간 국제공동연구 협력협정은 빠르면 올 11월까지 회원국 정부간에 체결될 예정이며 이 경우 2005년부터는 각 시스템별로 국제공동연구개발이 추진될 것으로 예상된다.

이날 정책그룹 회의를 통해 각국 대표들은 협력협정 문안과 추진계획의 상당부분에 합의하고 체결 주체 등 몇 가지 사안에 대해서는 다음달 1일 파리에서 4차 회의를 열어 결정키로 했다.

한편 각국이 개별적으로 참여하는 공동연구와 관련해서는 연구비용 등을 비롯한 세부계획 초안은 이미 마련된 상태로 협력협정 체결 이후 구체적인 논의가 진행될 전망이다.

GIF 창설국인 우리나라는 이미 독자적 기술개발에 성공한 한국표준형원전(KSNP), ARP-1400(KSNP 개량형), SMART(해수담수용 중소형원자로) 등 제3세대 원자로의 설계기술을 기반으로 미래형 원자로개발에 주도적으로 참여한 계획이다.

우리나라는 GIF 창설 회원국으로서 정책결정과정 및 제4세대 원자로 선정에 참여하고 있다. 제4세대 원자로 기술지도 작성에 국내 전문가 7명이 참여하고 있고 SMART, ARP-1400은 I-NTD로 선정됐다.

우리나라는 지난해 4월 국내 제4세대 원자력시스템 국제공동연구개발 기획 및 투자계획을 수립했다. 국내 기획위원회 및 기술위원회가 참여해 ‘제4세대 원자력시스템 국제공동연구개발 기획보고서’를 작성했으며 선정한 6개 원자로 노형 중 발전용으로 소듐냉각 원자로(SFR), 수소생산용으로 초고온가스 원자로로(VHTR), 초임계수냉각 원자로(SCWR) 등 3가지의 개발에 참여키로 결정했다.

제4세대 원자로개발은 미래의 급격한 에너지 고갈에 대비하고 인류의 지속가능한 발전에 기여하기 위한 필요성에서 출발했으며 GIF는 원자력에너지에 대한 대중적 지지와 경제성, 안전성을 획기적으로 향상시킨 제4세대 원자로 개발을 위해 지난 2000년 1월 우리나라를 포함한 원자력 활동이 활발한 미국 등 주요 9개국이 국제포럼을 결성해 국제공동 연구개발을 추진하기 위한 회의를 시작하면서 출발했다.

GIF에서 개발을 추진중인 제4세대 원자력시스템은 2020~2030년경 실제 활용을 목표로 추진중인 미래 혁신형 원자로로 지금까지 개발된 원자력시스템과는 다른 획기적인 원자로다.

지금까지의 개발된 원자력시스템을 제1세대부터 제3세대로 분류하고 향후 미래를 책임질 원자력시스템을 제4대로 분류한다. 제1세대는 1950년에 도입된 초창기 원전으로 미국 Shippingport 원전, 영국 Magnox 원전 등이 포함되고 제2세대는 1960년대 이후 본격 도입된 원전으로 현재 운전중인 대부분의 원전이 해당된다.

제3세대는 1980년 이후 본격 도입된 원전으로 한국형표준원전과 같은 현재 도입되기 시작하는 원전이 해당되고 제3세대+는 향후 15년 내에 도입 가능한 경제성이 우수한 원전으로 I-NTD(International Near Term Development)로 선정된 원전(미국 AP-1000, 우리나라 ARP-1400, SMART 등)이 여기에 속한다.

제4세대 원자력시스템은 ▲지속성 추구 ▲안전성 및 신뢰성 확보 ▲높은 경제성 확보 ▲핵확산저항성 확보 등을 특성으로 지니고 있다. 연료자원의 활용성을 높여 에너지공급의 지속성을 확보하고 폐기물 발생량이 적어 환경부담을 감소한다.

또 특별한 조치가 필요없는 안전시스템을 구축, 일반 대중이 공감하는 수준의 안전성 및 신뢰성을 확보하고 운전비용을 낮춤으로서 높은 경제성을 실현한다. 아울러 핵물질의 전용을 방지해 핵확산을 저지한다.

GIF는 ▲가스냉각 원자로(GFR) ▲용융염 원자로(MSR) ▲납냉각 원자로(LFR) ▲소듐냉각 원자로(SFR) ▲초임계압 수냉각 원자로(SCWR) ▲초고온가스 원자로(VHTR) 등 6가지 노형을 제4세대 원자로로 선정했다.

■가스냉각 원자로는 고속중성자 스펙트럼의 헬륨(helium) 냉각재 원자로로서 재순환 핵연료주기를 적용하고 있다. 헬륨을 사용해 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 원자로는 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 이용해 열화학공정에 의한 수소 생산도 가능하다. 배터리형 시스템은 15-20년의 재장전주기를 가지며 소용량 전력계통용으로 전력을 생산하고, 수소생산 및 이동형의 에너지원으로 설계되고 있다.

■용융염 원자로는 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 필요 없고, 플루토늄과 같은 악티나이드의 첨가가 용이한 특성을 가지고 있다.

■소듐냉각 원자로는 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.

■초임계압 수냉각 원자로는 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.

■초고온가스 원자로는 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.

한편 GIF 회원국은 현재 우리나라를 비롯해 미국, 프랑스, 일본, 영국, 캐나다, 아르헨티나, 남아프리카공화국, 브라질, 스위스, EURATOM 등 11개국이며 신규 회원국은 회원국 전원 찬성에 의해 가입을 결정한다.

GIF는 GIF 헌장 및 운영지침에 따라 운영 되며 사무국이 해정지원을 담당한다. GIF 회의는 정책그룹(Policy Group)과 전문가그룹(Expert Group) 회의로 운영되는 데 정책그룹은 주요 정책적 사항을 검토하고 결정하는 역할을, 전문가그룹은 기술적 사항에 대한 검토와 주요사항에 대해 정책그룹에 건의하는 역할을 담당한다.

박재구 기자