올 12월 국제공동 연구계획 최종본 완성 목표
국내 소듐냉각 고속로 기술 획기적 발전 전망
우리나라를 포함한 미국, 일본, 프랑스, 일본, 영국, 캐나다, 아르헨티나, 남아프리카공화국, 브라질, 스위스, EURATOM 등 세계 11개국은 제4세대 원자력시스템 개발을 위해 2000년 1월 제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF)을 결성해 국제 공동연구 개발을 추진하고 있다.
GIF에서는 지속성, 안전성 및 신뢰성, 높은 경제성, 핵확산저항성 확보라는 전제하에 제4세대 원자로로 ▲GER(Gas-cooled Fast Reactor/가스냉각 고속로) ▲MSR(Molten Salt Reactor/용융염 원자로) ▲LFR(Lead-cooled Fast Reactor/납냉각 고속로) ▲SFR(Sodium-cooled Fast Reactor/소듐냉각 고속로) ▲SCWR(SuperCritical Water-cooled Reactor/초임계수 냉각로) ▲VHTR(Very High Temperature Reactor/초고온가스 냉각로) 등 6개 노형을 선정했다.
이중 우리나라는 GER, SCWR, SFR, VHTR 등 4개 노형의 공동연구에 참여키로 하고 현재 연구개발 중이다. 이에 우리나라가 연구에 참여하고 있는 4개 노형별 특징과 개발현황에 대해 소개한다.
소듐냉각 고속로는 전 세계적으로 지난 50여년간 약 500억불에 달하는 개발비를 투자했고 약 300 원자로?년의 운전 실적을 쌓은 상용화 직전의 기술이다.
우라늄 자원의 효율적 활용과 처분 폐기물량의 감축이 가능한 소듐냉각 고속로는 그 동안의 연구개발을 통해 기술적 타당성은 입증됐지만 불리한 경제성과 일련의 사고발생으로 안전성에 대한 논란이 제기돼 아직 상용화가 이뤄지지 못하고 있는 실정이다.
또한 민감한 핵연료 물질의 전용 가능성으로 인한 핵확산 저항성 문제도 자유로운 기술개발에 제약조건으로 작용했다.
그러나 에너지원의 안정적 공급과 환경보전을 동시에 만족할 수 있는 21세기의 에너지원으로서, 특히 2030년 이후 상용화를 목표로 하는 제4세대 원자력시스템으로 가장 유망한 것으로 평가받고 있는 것이 소듐냉각 고속로이며 이미 축적된 각국의 연구개발 경험을 공동으로 활용하고 있는 세부 국제공동연구 계획을 작성 중에 있다.
현재 소듐냉각 고속로에 대한 국내 연구개발은 원자력선진국에 비해 그 출발점은 상당히 뒤져 있는 실정이지만 선진국의 과거 개발경험을 참고로 제4세대 국제공동연구에 참여하면서 우선순위에 따라 핵심기술 개발 노력을 집중함으로써 국내 소듐냉각 고속로 기술을 획기적으로 발전시킬 수 있을 것으로 전망되고 있다.
소듐냉각 고속로 설계 특징
소듐냉각 고속로 시스템은 고석중성자를 활용하는 원자로와 연료 재순환계통으로 구성되어 있으며 전기생산과 우라늄 자원의 효율적 활용, 고준위 폐기물량 감소에 적합하다.
열전달 특성이 우수한 액체금속 소듐을 냉각재로 사용하는 소듐냉각 고속로는 수백 MWe 출력의 소형 모듈형 원자로부터 1500MWe 이상의 대용량에 이르기까지 다양한 용량의 원자로 개발이 가능하다. 또한 원자로 출구의 1차 계통 소듐 온도(530-550℃)가 경수로의 냉각재 온도(약 300℃)와 비교해 상당히 높아 소듐냉각 고속로의 열효율은 경수로의 경우보다 높다.
소듐냉각 고속로 특유의 안전특성 대부분은 소듐 냉각제와 관련이 있다. 우선 안전성과 관련된 소듐의 장점은 ▲소듐냉각 고속로의 정상 운전온도(최고 약 550℃)에서는 대기압에서도 소듐은 비등 (비등점 약 900℃) 하지 않기 때문에 파이프 파손과 같은 hydrostatic 사고시에는 노심의 voiding이 발생하지 않고 ▲소듐은 물과 비교해 약 100배의 열전도도를 갖고 있어 잔열제거를 위해 자연대류 현상을 활용할 수 있고 ▲소듐의 비부식성으로 인해 방사성 부식물의 발생이 최소화됨으로써 운전요원의 방사능 피폭량이 적다.
반면 소듐의 단점과 문제점은 ▲소듐은 물, 공기와 화학반응을 하고 ▲대용량 노심은 양의 소듐 기화반응도 계수를 가질 수 있다는 점이다.
국제공동연구 추진 경과
GIF는 지난 2001년 3월에 지속개발 가능성, 경제성, 안전성 및 핵환산저항성 등 제4세대 원자력시스템의 기술목표를 설정했다.
이와 같은 기술목표를 달성할 수 있는 제4세대 원자력시스템 개념을 전 세계적으로 공모해 총 33개의 소듐 및 납합금냉각 고속로 개념이 접수됐으며 원자력중장기 연구개발사업으로 한국원자력연구소가 개발한 KALIMER 개념도 제출됐다.
제출된 개념에 대한 제4세대 원자력시스템 기술목표 달성 가능성을 기준으로 평가를 수행한 결과 2002년 7월 리우에서 열린 정책/전문가 그룹회의에서 소듐냉각 고속로와 납합금 냉각 고속로를 제4세대 원자력시스템으로 선정했다.
연구개발 수립을 위한 첫 단계로 제4세대 원자력시스템 기술목표와 선정된 개념 사이에 존재하는 기술격차를 파악하고 이와 같은 기술격차를 극복하기 위해 필요한 연구개발 항목을 선정해 R&D Scope Report를 2002년 1월에 발간했다.
기술격차와 연구개발 항목은 안전성 입증, Minor Actinide 포함 핵연료 개발, 경제성 향상, 가동 중 검사 및 보수 기술 향상, 증기발생기 신뢰도 향상 및 신형 에너지 변환시스템 개발 등이 포함되어 있다.
또 2003년 4월에는 소듐냉각 고속로 System Steering Committee를 구성해 구체적인 국제제 공동연구 계획인 R&D Program Plan 작성에 착수했다. 이 계획에는 수립목적, 소듐냉각 고속로 개발 목표, 설계 요건, 참조 노형 정의, 연구개발 프로젝트 등의 내용이 포함되어 있다.
연구개발 프로젝트는 여러개의 Task로 구성되어 있으며 각 Task에는 연구목표 및 내용, 주요일정, 예산 등이 정의되어 있다. 현재까지 2차례 전문가 그룹 검토의견을 반영해 수정보완을 완료했으며 올 12월 최종본 완성을 목표로 연구내용 구체화 작업을 수행 중에 있다.
국제공동연구 내용 및 향후 계획
2002년 10월에 발간된 R&D Scope Report에 따르면 소듐냉각 고속로의 상용화를 달성하기 위해서는 연료 및 재료, 원자로 계통, 증기발생기, 안전성 및 설계개발 등의 연구에 약 6억1000만불의 예산이 소요될 것으로 예상하고 있다.
이와 같은 소요예산은 다른 노형에 비해 낮은 비용으로서 소듐냉각 고속로가 다른 노형에 비해 개발 수준이 월등히 높고 그 동안 축적해온 풍부한 연구개발 결과를 활용할 수 있기 때문이다. 소듐냉각 고속로에 참여하는 국가는 한국, 미국, 일본, 프랑스, 영국, EURATOM 등 6개국이다.
올 12월까지 최종 국제공동 연구개발 계획서 작성을 위해 현재 소듐냉각 고속로 System Steering Committee와 Project Management Board는 R&D Program Plan의 Task별 연구내용과 일정을 구체화하고 소요비용을 산정하고 있다. 또 각 Task간의 연계를 검토하고 모든 계획된 연구개발 내용을 수행했을 때 최종목표인 소듐냉각 고속로의 상용화가 달성될 수 있을 것인가에 대해서도 검토할 예정이다.
소듐냉각 고속로의 개발대상 노형으로 선정된 KALIMER와 JSFR을 비교 평가하기 위한 기준과 절차, 일정 등에 관한 협의를 조속히 완료해 모든 연구개발 내용 중 가장 먼저 노형간 비교평가를 추진할 예정이다. 또한 일본의 Monju 원형로를 국제공동으로 활용하는 프로젝트를 추가로 개발해 연구개발 투자의 효율성을 제고할 예정이다.
한편 오는 10월 27~28일 양일간 원자력연구소에서 소듐냉각 고속로 System Steering Committee 및 Project Management Board 회의를 개최하고 본 회의를 통해 R&D Plan에 대해 참여국 합동으로 최종 수정 보완작업을 수행할 예정이다.
