자체개발 기술 적용 50억 수입대체 효과, 950℃ 초고온 검증
원자력을 이용해 차세대 청정에너지 수소를 대량 생산하기 위한 초고온가스로(VHTR, Very High Temperature gas-cooled Reactor)의 주요 조건을 모의할 수 있는 핵심 연구시설인 ‘초고온 헬륨 루프(HELP; Helium Experimental LooP)’가 완성됐다.
한국원자력연구원(원장 정연호)은 13일 연구원내 중형헬륨실험동에서 초고온 헬륨 루프 준공식을 가졌다. 초고온 헬륨 루프는 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 일환으로 총 사업비 40억원이 투입돼 3년여 만에 완공됐다.
초고온 헬륨 루프는 수소 생산을 위한 초고온가스로의 열 교환기 등 1차 계통, 2차 계통, 부속 계통 등 주요 계통을 출력 대비 200분의 1로 축소한 것으로 ‘슈퍼 알로이’ 등 초고온가스로와 동일한 재질을 사용한다. 또 우라늄 등 핵물질을 사용하지 않고 전기를 이용해 초고온가스로의 실제 운전 온도와 압력인 950℃, 80기압을 구현함으로써 초고온에서 주요 부품의 내열성 등 성능 과 수소 생산 과정에서 사용되는 황산에 대한 주요 계통 설비의 부식 저항성 등을 시험하게 된다.
슈퍼 알로이란 철, 니켈, 코발트 계열의 특수 합금으로, 800℃ 이상의 고온에서 내산화성, 고내열성을 지닌다
초고온 헬륨 루프를 이용한 실험 결과는 초고온가스로 핵심 기기 설계, 안전 해석용 코드 개발과 2020년경 건설을 추진할 계획인 초고온가스로 실증로 인허가에 활용될 예정이다.
현재까지 수소를 만드는 방법 중 가장 효율이 높은 방식으로 알려진 것은 황산을 800℃ 이상으로 가열한 후 화학적 공정을 거치면 수소가 분해돼 나오는 화학적 열분해 방법으로 950℃ 정도의 초고온 열에너지를 수소 생산 공정에 안정적이고 효과적으로 공급하기 위해 개발되고 있는 것이 초고온가스로다.
초고온가스로 설계를 위해 핵심기기 및 설계 코드(소프트웨어)를 실험적으로 검증하는 장치가 가스 루프로 원자력연구원은 지난 2005년 실험실 규모의 소형 질소 루프 설계를 시작해 2007년 이를 완성했으며 이 과정에서 축적한 기술을 바탕으로 2009년 중형 헬륨 루프 설계를 시작, 2010년 1차 계통 건조 및 전용 실험동 건축을 마쳤으며 2011년 2차 계통 및 부속 계통을 완성함으로써 초고온 헬륨 루프(HELP)를 자력 기술로 설계 및 제작하는데 성공했다.
원자력연구원은 열 교환기, 고온 가열기, 순환장치 등 핵심 부품을 국산화함으로써 50억원의 수입 대체 효과를 기록했으며 ‘초고온가스 원자로용 열교환기’ 등 관련 기술 3건의 국내 특허 등록을 마쳤다.
홍성덕 원자력연구원 수소생산원자로기술개발부 책임연구원은 “초고온 헬륨 루프 완공은 향후 원자력을 이용한 수소 생산 실증 단계에 필요한 대형 실증장치 개발에 핵심 정보를 제공하게 될 것”이라고 밝혔다.
초고온가스로(VHTR)란 제4세대 원자력 시스템 중 하나로 원자력을 이용해서 950℃ 이상 초고온의 열을 얻고 이 열로 물을 분해해 수소를 생산하는 원자로다. 화학적으로 안정된 헬륨 기체를 냉각재로 쓰고 핵분열에서 발생하는 방사성 물질을 차단하는 피복입자 핵연료를 사용하고 비상시에도 자체 복사열만으로 냉각이 가능해 안전성이 매우 높은 것이 특징이다. 우리나라를 비롯해 미국, 프랑스, 일본 등 10여개국이 원자력을 이용한 수소 생산을 연구하고 있다.
