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용융염 원자로, 핵에너지의 미래를 열다? 🔋

용융염 원자로란?

용융염 원자로(MSR)는 기본적인 핵 원자로 냉각제 및/또는 연료가 용융된 소금과 핵분열 가능 물질의 혼합물인 핵분열 원자로의 한 종류입니다. 이 기술은 20세기 중반 미국에서 두 개의 연구용 MSR이 운영되면서 주목받기 시작했습니다. 1950년대에는 항공기 원자로 실험(ARE)이 이 기술의 소형 크기에 주목했고, 1960년대에는 용융염 원자로 실험(MSRE)이 토륨 연료 주기를 사용하는 핵 발전소의 가능성을 탐색했습니다.

21세기 재조명

4세대 원자로 디자인에 대한 연구가 증가하면서 21세기에 다시 주목받기 시작했습니다. 2023년 5월 기준으로 중국은 예정된 2023년 2월에 TMSR-LF1 토륨 유닛의 점화를 발표하지 않았습니다.

안전성과 효율성

MSR은 용융 상태에서 연료 혼합물을 유지하기 때문에, 물을 사용하는 원자로에서 발생할 수 있는 핵 용융 사고 시나리오를 제거합니다. 비상 상황에서 연료 혼합물은 펌핑 없이 코어에서 격리 용기로 배출되어 연료가 굳어지면서 반응이 중단됩니다. 또한, 수소 발생이 일어나지 않아 후쿠시마 핵사고와 같은 수소 폭발 위험을 없앴습니다. 이 원자로는 대기압 또는 그 근처에서 작동하여, 전형적인 경수로에 비해 반응기 압력 용기에 대한 필요성과 비용을 줄입니다. 운영 온도는 약 700°C로, 전통적인 LWR의 약 300°C보다 훨씬 높아 전기 생산 효율성과 공정 열 기회를 증가시킵니다.

설계 도전 과제

주요 도전 과제로는 뜨거운 소금의 부식성과 중성자 플럭스에 의해 변환됨에 따라 소금의 화학적 조성이 변하는 문제가 있습니다.

용융염 원자로의 특징과 장단점 알아보기 😊

1. 용융염 원자로의 특징

용융염 원자로는 전통적인 원자로와 다르게 우라늄, 토륨 같은 핵분열성 물질을 높은 온도에서 녹은 상태의 화학적 염(주로 리튬-베릴륨 불화염이나 나트륨 염화염)에 물리적으로 섞어 사용한다. 이 용융염이 열을 발생시키며, 이 열을 이용해 터빈을 구동한다. 이 과정에서 경수 대신 용융염이 순환 냉각재의 역할을 하게 된다. 용융염 원자로는 고온에서 작동하며, 흑연을 감속재로 사용하여 열중성자를 주로 활용한다. 리튬염은 부피당 높은 열용량으로 인해 전체 코어의 크기를 줄이는 데 기여한다. 또한, 용융염 원자로는 상대적으로 안전하며, 가동 중에도 연료를 재장전할 수 있는 장점이 있다.

2. 용융염 원자로의 장점

• 안전성: 용융염 원자로는 멜트다운의 위험이 없으며, 사고 시에도 저압 상태로 유지되어 대응이 용이하다. 또한, 온도가 높아지면 용융염이 팽창하여 자동으로 반응률이 저하되는 음의 온도반응계수를 가진다.
• 경제성 및 유연성: 소형 모듈형 원자로(SMR)로 설계가 가능해 대량생산이 용이하고 비용 절감이 가능하다. 가동 중 연료재장전이 가능하여 장기간 연속 운전이 가능하다.
• 환경적 이점: 용융염 원자로는 핵폐기물을 소각하는 데 사용할 수 있으며, 고온 가스터빈을 구동할 수 있어 열효율이 높다.

3. 용융염 원자로의 단점

• 기술적 도전: 용융염은 부식성이 있어 원자로 용기나 배관의 재료 선택에 제약이 있다. 또한, 고온 운전으로 인한 내열성 및 내식성 재료의 개발이 필요하다.
• 규제 및 안전 문제: 현재 미국의 원자력 규제기관(NRC)은 액체상의 핵연료에 대해 상업적 운전을 금지하고 있어, 이에 대한 규제 완화가 필요하다.
• 경제성: 초기 연구개발 및 설비 개발 비용이 높아 초기에는 경수로보다 비용이 더 들 수 있다.

원자력 폭격기를 위한 초기 핵심실험부터 미래 에너지원까지: 몰튼 솔트 리액터의 여정 🌟

핵심 내용 요약

1950년대: 몰튼 솔트 리액터(MSR)의 시작

• 미국의 항공기용 원자로 실험(ARE): 미국 항공기 핵추진 프로그램을 지원하기 위해 설계된 2.5 MWth 핵 반응기 실험으로, 핵추진 폭격기용 엔진으로 사용하기 위한 고에너지 밀도 달성을 목표로 했다.
• 고온 및 엔진 테스트: HTRE-1, HTRE-2, HTRE-3 및 오크 리지 국립 연구소(ORNL)에서의 실험적 고온 몰튼 솔트 리액터 포함.
• 주요 성과: 1954년에 9일 동안 100MWh를 생산. Inconel 600 합금을 구조물 및 배관에 사용.

1960년대와 1970년대: MSR 연구의 확대

• MSRE (몰튼 솔트 반응기 실험): ORNL이 리드한 연구로, 1965년에 가동 시작하여 4년간 운영. LFTR의 중성자 "핵"을 시뮬레이션하는 7.4 MWth 테스트 반응기.
• MSBR (몰튼 솔트 번식 반응기) 프로젝트: 1970년부터 1976년까지 연구되었으나, LMFBR(액체 금속 빠른 번식 반응기)에 밀려 프로그램이 중단됨.

영국과 소련의 MSR 연구

• 영국 AERE: 다른 설계의 MSR 개발에 초점. 플루토늄을 연료로 사용하는 2.5 GWe 몰튼 솔트 빠른 반응기(MSFR) 개념 연구.
• 소련: 1970년대 후반 Kurchatov Institute에서 MSR 연구 프로그램 시작. 기계적, 부식 및 방사선 속성에 대한 연구 포함.

21세기: MSR에 대한 새로운 관심

• 지연되는 융합 에너지 및 기타 핵 에너지 프로그램, 그리고 온실가스 배출을 최소화할 에너지원에 대한 수요 증가로 인해 MSR에 대한 관심이 부활.

원자력 발전의 새 지평: 전 세계에서 개발 중인 용융염 원자로 프로젝트들 🌍

캐나다의 혁신적인 원자로

캐나다의 Terrestrial Energy는 작은 모듈형 원자로(SMR)로 배치될 수 있는 Integral Molten Salt Reactor (IMSR)라는 DMSR 디자인을 개발하고 있다. 이 원자로는 400MW의 열 출력(전기적으로는 190MW)을 가지며, 고온 운영이 가능해 전통적인 전력 시장 뿐만 아니라 산업용 열 시장에도 적용될 수 있다. 주요 특징으로는 그라파이트를 사용한 중성자 감속, 저농축 우라늄을 연료로 사용하는 것, 그리고 컴팩트하고 교체 가능한 코어-유닛이 있다. 2017년 캐나다 핵안전위원회에 의해 첫 단계 사전 라이선스 검토를 완료하여, 일정 조건 하에서 건설 허가를 받을 수 있음을 확인받았다.

중국의 토륨 연구 프로젝트 가속화

중국은 2011년 1월에 토륨 연구 프로젝트를 시작하여, 2021년까지 약 30억 위안(미화 5억 달러)을 투자했다. 토륨을 연료로 사용하는 여러 원자로 프로토타입의 개발이 계획되어 있으며, 2024년과 2035년에 각각 10MW와 더 큰 시험로가 목표로 하고 있다. 특히, 우웨이 연구 시설에서 지하에 건설될 12MW 반응로 2기는 세계 최초의 상업적 목적의 핵 용융염 반응로가 될 전망이다.

덴마크와 유럽의 노력

Copenhagen Atomics와 Seaborg Technologies는 각각 덴마크에서 용융염 원자로 기술을 개발하고 있다. 이들은 대량 생산이 가능하며, 토륨 연료 주기를 활용하는 다양한 디자인을 연구하고 있다. 유럽연합은 EVOL 프로젝트와 SAMOFAR 프로젝트를 통해 용융염 빠른 반응로의 안전성 평가와 디자인 제안에 착수했다.

아시아와 러시아의 움직임

인도네시아에서는 Thorcon이 TMSR-500 용융염 원자로를 개발 중이며, 인도는 자체적인 MSR 디자인을 발표했다. 러시아의 Rosatom은 2031년에 10 MWth FLiBe 버너 MSR을 구축할 계획을 발표했다.

영국과 미국의 진전

영국에서는 Moltex Energy가 개발한 안정적인 소금 반응로가 Innovate UK에 의해 연구되었으며, 미국에서는 여러 프로젝트가 진행 중이다. 이에는 Kairos Power와 Southern Company가 개발 중인 실험적인 용융염 반응로와 Idaho National Laboratory에서 진행될 Molten Chloride Reactor Experiment가 포함된다.