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토륨을 이용한 차세대 원자로, 액체 불화 토륨 원자로(LFTR)란? 😮

액체 불화 토륨 원자로(LFTR) 개요

액체 불화 토륨 원자로(LFTR, 종종 '리프터'라고 발음)는 용융염 원자로의 한 종류로, 토륨 연료 주기와 불화물 기반의 용융(액체) 염을 연료로 사용한다. 전형적인 설계에서, 이 액체는 비판 핵심과 외부 열교환기 사이를 펌핑되어, 여기서 비방사성 이차 염으로 열을 전달한다. 그런 다음 이 이차 염은 열을 증기 터빈이나 폐쇄 회로 가스 터눈에 전달한다.

용융염 연료를 사용하는 원자로

용융염 연료 원자로(MSR)는 핵연료를 용융 염에 혼합하여 공급한다. 이는 용융 염을 냉각 목적으로만 사용하고 여전히 고체 연료를 사용하는 설계와는 다르다. 용융 염 원자로는 플루오라이드 또는 클로라이드 염 기반의 연료를 사용하고 다양한 가속 물질이나 비옥 물질을 사용하는 연소기와 증식기를 모두 포함한다. LFTR은 플루오라이드 연료 염의 사용과 열 중성자 스펙트럼에서 토륨을 우라늄-233으로 증식시키는 특징으로 정의된다.

LFTR의 역사와 최근 관심

LFTR 개념은 1960년대 오크 리지 국립 연구소의 용융염 원자로 실험에서 처음 조사되었으며, 최근 전 세계적으로 다시 관심을 받고 있다. 일본, 중국, 영국, 미국의 사기업, 체코, 캐나다, 호주의 회사들이 이 기술의 개발과 상용화에 관심을 표명했다.

LFTR의 독특한 특징

LFTR은 여러 면에서 다른 전력 원자로와 차별화된다. 토륨을 우라늄으로 전환하여 사용하며, 펌핑을 통해 가동 중단 없이 연료를 보충할 수 있다. 액체 염 냉각제는 운영 온도를 높이고 1차 냉각 루프에서의 압력을 대폭 낮출 수 있게 한다. 이러한 독특한 특성은 많은 잠재적 이점을 제공하지만, 동시에 설계상의 도전과제도 제시한다.

핵에너지의 미래, 토륨과 몰튼 솔트 리액터의 가능성 🌟

토륨의 특성과 핵연료로서의 가치

토륨은 지구의 지각에서 상대적으로 풍부하게 발견되며, 핵분열 발견 이후 식별된 세 가지 주요 핵연료 중 하나로 자리 잡았다. 이들 중 우라늄-235는 자연 상태에서 바로 사용할 수 있는 유일한 핵연료이며, 플루토늄-239와 우라늄-233은 각각 우라늄-238과 토륨-232에서 생성될 수 있다. 특히 토륨-232는 우라늄보다 지구에서 약 네 배 더 많은 양으로 발견되며, 우라늄-233으로 변환될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

용융염 원자로(MSR)의 역사와 개발

알빈 M. 와인버그는 오크 리지 국립 연구소에서 몰튼 솔트 리액터(MSR) 사용을 선도했다. 이곳에서는 두 개의 프로토타입 MSR이 성공적으로 설계, 구축, 운영되었으며, 이는 항공기 리액터 실험(ARE)과 몰튼-솔트 리액터 실험(MSRE)이다. MSRE는 특히 우라늄-233과 우라늄-235를 사용하여 실험적으로 연료를 공급하는 것을 시연하였다. 그러나 1970년대 초 와인버그가 해임되면서 MSR 프로그램은 폐쇄되었고, 이후 미국 내에서의 연구가 정체되었다.

핵연료의 증식 기초

핵원자로에서는 두 종류의 연료가 사용된다: 분열성 핵연료와 비옥한 핵연료. 분열성 핵연료는 중성자에 의해 쪼개질 때 큰 에너지를 방출하고, 비옥한 핵연료는 중성자를 흡수한 후 두 번의 베타 붕괴를 거쳐 분열성 핵연료로 변환된다. 이 과정을 '증식'이라고 한다. 대부분의 현대 핵원자로는 충분한 신규 연료를 증식시키지 못하지만, 증식 원자로는 사용된 만큼의 새로운 연료를 생성하여 무한히 운영될 수 있다.

토륨을 사용한 증식과 몰튼 솔트 리액터의 잠재력

토륨을 사용한 증은 열적 핵원자로에서도 가능하다는 것이 증명되었다. 토륨은 우라늄-플루토늄 연료 주기에 비해 훨씬 더 많은 양의 핵연료를 생성할 수 있으며, 이는 토륨이 핵에너지의 미래에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 특히, MSR은 토륨을 사용하여 고도로 효율적이고 안전한 핵에너지 생산 방법을 제공하는 잠재력을 가지고 있다.

원자로 주 시스템 디자인의 변종들, 어떤 게 더 나을까? 🤔

단일 유체와 이중 유체: 몰튼 솔트 브리더 원자로의 두 가지 설계

오크 리지 국립 연구소는 액체 연료를 사용하는 몰튼 솔트 브리더 원자로(MSBR)에 대해 "단일 유체"와 "이중 유체" 설계를 탐구했습니다. 이 두 설계는 각각 고유의 장단점을 가지고 있으며, 토륨 연료 사이클을 활용하는 방식에 따라 달라집니다.

단일 유체 설계

단일 유체 설계는 토륨과 우라늄이 포함된 불화염소 염으로 채워진 대형 원자로 용기를 특징으로 합니다. 염 속에 잠긴 흑연 막대는 중성자를 조절하고 염의 흐름을 안내하는 역할을 합니다. 이 설계에서는 원자 코어의 가장자리 근처에 흑연의 양을 줄여 토륨에 의한 중성자 포획을 증가시키는 방식으로, 중성자 누출을 줄이고 있습니다. 그러나, 단일 유체 디자인은 증식을 허용할 만큼 상당한 크기가 필요합니다.

이중 유체 설계

이중 유체 설계는 기계적으로 더 복잡하며, 고중성자밀도 코어에서 우라늄-233을 연소시킵니다. 별도의 토륨 염 담요는 중성자를 흡수하고 토륨을 프로트악티늄-233으로 천천히 변환시킵니다. 이렇게 생산된 우라늄-233은 추가적인 불소를 주입하여 우라늄 헥사플루오라이드 가스로 변환시킨 후 회수할 수 있습니다. 이중 유체 설계의 장점은 연료 처리가 단순하고, 사용 가능한 중성자의 효율적 사용으로 더 높은 증 비율을 달성할 수 있다는 것입니다.

하이브리드 "1.5 유체" 원자로

"하이브리드 1.5 유체" 원자로는 단일 유체와 이중 유체 원자로의 장점을 결합한 설계입니다. 이 설계는 연료 솔트에 토륨을 포함시키지만, 코어로부터 누출된 중성자를 흡수하는 별도의 효과적인 담요를 사용할 수 있습니다. 이는 물리적 장벽을 사용하여 두 유체를 분리하는 복잡성을 줄이면서도, 토륨을 처리하는 복잡성은 증가시킵니다.

각각의 설계는 고유의 장단점을 가지며, 구체적인 용도와 요구 사항에 따라 최적의 선택이 달라질 수 있습니다.

첨단 원자로와 발전 사이클의 효율성 비교 분석 🌟

LFTR 기술과 그 효율성

LFTR(Liquid Fluoride Thorium Reactor)은 700도 섭씨의 높은 운영 온도를 가지며, 이를 통해 열에서 전기로의 변환에서 45%의 열효율을 달성할 수 있습니다. 이는 현재의 경수로(LWRs)가 보여주는 32-36%의 효율성보다 훨씬 높은 수치입니다. LFTR에서 발생하는 고온의 집중된 열에너지는 전기로 변환하는 과정에서의 효율 손실 없이 아모니아 생산이나 수소 생산 같은 다양한 산업 공정에 고급 공정 열로 사용될 수 있습니다.

Rankine 사이클의 역할

Rankine 사이클은 가장 기본적인 열역학 파워 사이클로, 증기 발생기, 터빈, 응축기, 그리고 펌프로 구성됩니다. 이 사이클에서는 보통 물이 작동 유체로 사용됩니다. LFTR에 결합된 Rankine 파워 변환 시스템은 증기의 온도를 높여 열효율을 개선할 수 있습니다. 현재 상업 발전소에서는 상대적으로 낮은 온도와 압력을 사용하는 Rankine 증기 사이클이 사용되고 있으며, 최신 발전소에서는 더 높은 온도와 압력을 사용하는 초임계 Rankine 증기 사이클이 활용되고 있습니다.

Brayton 사이클의 혁신

Brayton 사이클 발전기는 Rankine 사이클에 비해 훨씬 작은 설치 공간을 요구하며, 비용이 낮고 열효율이 높지만, 더 높은 운영 온도를 필요로 합니다. 이는 LFTR과 같은 고온을 요구하는 시스템에 특히 적합합니다. 작동 가스로는 헬륨, 질소, 이산화탄소가 사용될 수 있으며, 낮은 압력의 따뜻한 가스는 주변의 냉각기에서 냉각됩니다. 고압의 작동 가스는 터빈에서 확장되어 전력을 생산합니다. 터빈과 압축기는 종종 단일 축을 통해 기계적으로 연결됩니다. Brayton 사이클은 Rankine 사이클에 비해 발전기의 설치 면적이 작으며, 낮은 압력에서 더 넓은 직경의 배관을 사용할 수 있습니다. 2009년 이스라엘 아라바 사막에서는 세계 최초의 상업용 Brayton 사이클 태양광 모듈(100kW)이 구축되어 시연되었습니다.

토륨 원자로에서 핵분열 생성물 제거의 중요성과 방법 요약 🌟

핵분열 생성물 제거의 필요성

토륨 연료 주기를 사용하는 액체연료 원자로(LFTR)는 핵분열 생성물을 연료로부터 분리해내야 하는 중요한 과제가 있습니다. 이러한 핵분열 생성물이 원자로 내에 남아있으면 중성자를 흡수해 원자로의 효율을 떨어뜨리게 됩니다. 특히 토륨 연료 주기는 사용 가능한 여분의 중성자가 적고, 중성자 흡수가 강한 열 중성자 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 이 문제는 더욱 중요합니다.

핵분열 생성물 제거 방법

LFTR의 핵분열 생성물 제거 방법은 고체 연료 재처리 과정과 유사하게, 화학적 혹은 물리적 방법을 통해 가치 있는 핵분열 연료를 폐기물로부터 분리합니다. 이 과정에서 재사용 가능한 토륨이나 U-238과 같은 비옥한 연료와 기타 연료 구성요소도 새로운 연료로 재사용될 수 있습니다. 연속적으로 진행되는 현장 처리 과정을 통해 소량의 소금이 매일 정화되어 원자로로 돌아갑니다.

특별한 분리 기술

LFTR에는 고온에서 직접 액체염을 처리하는 열화학 공정(pyroprocessing)이 사용됩니다. 이 방법은 방사성 용매를 사용하지 않으며, 붕괴열로 인해 방해받지 않는 장점이 있습니다. 또한, 특정 고수요 동위원소를 개별적으로 분리할 수 있는 잠재적 이점을 제공하여, 의료, 농업, 산업 분야에서의 활용 가능성을 엽니다.

기타 제거 공정

• 귀금속류는 미세한 금속 입자 형태로 걸러내거나, 가스 형태로 쉽게 제거됩니다. 예를 들어, Xe와 Kr 같은 기체는 헬륨을 사용한 스파지 공정으로 쉽게 분리됩니다.
• 염 혼합물을 정화하기 위한 여러 화학 분리 방법이 제안되었으며, 이 중 일부는 실험실 단계에서 테스트되었습니다. 특히, 고온 진공 증류와 불화물의 휘발성을 이용한 방법이 연구되었습니다.

추가적인 분리 고려사항

• 프로텍티늄-233의 분리는 선택적 과정이며, 핵확산 문제를 피하기 위해 최신 설계에서는 종종 배제됩니다.
• 토륨, 플루토늄, 란타나이드(희토류 원소)가 화학적으로 유사하므로, 이들의 분리는 더 복잡한 과정을 요구합니다.

요약

LFTR에서 핵분열 생성물의 제거는 원자로 효율성을 유지하기 위해 필수적이며, 다양한 고급 기술이 이 과정에 적용됩니다. 이러한 기술은 연료의 재사용 가능성을 높이고, 특정 동위원소의 분리를 통해 다양한 산업 분야에서의 활용 가치를 증대시킬 수 있습니다.

안전하고 효율적인 차세대 에너지, 토륨 기반 용융염 원자로의 장점들 🔋

안전성

• 내재된 안전성: 용융염 원자로(LFTR)는 강한 음의 온도 계수를 이용하여 반응성 증가에 대한 내재된 안전성을 제공한다. 과열 시 토륨이 더 많은 중성자를 흡수하는 도플러 효과, 그래핀 조절재의 가열, 연료의 열 팽창 등 3가지 원리에 의해 작동한다.
• 안정적인 냉각제: 높은 온도와 방사선 하에서도 화학적으로 안정적이며, 물과 공기와의 격렬한 반응이 없다. 저압에서 운영되며, 핵분열 생성물의 압력 상승이 없어, 대규모 압력 상승이나 폭발의 위험이 적다.
• 쉬운 제어와 느린 가열: 용융연료는 제논-135과 같은 중성자 흡수체를 쉽게 제거할 수 있어 제어가 용이하며, 높은 열용량으로 인해 사고 시 느린 가열이 가능하다.
• 수동적 붕괴열 냉각 및 실패 안전 코어: 사고 시 연료/냉각제 혼합물이 배수 탱크로 이동하여 물리적 성질에 의존하는 수동적 붕괴열 제거가 가능하며, 전원 실패 등으로 냉각이 중단되면 연료가 비활성 상태로 이동하는 실패 안전 설계가 있다.

경제성 및 효율성

• 토륨의 풍부함: 지구상에 토륨은 우라늄보다 3~4배 많으며, 희토류 광산 부산물로 얻을 수 있다. 토륨은 수백만 년 동안 전 세계 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 충분한 양이 있다.
• 자원의 풍부함: 베릴륨, 리튬, 니켈, 몰리브덴 등 LFTR 건설에 필요한 자원이 충분하다.
• 향상된 연료 효율: LFTR은 토륨 연료의 약 99%를 소비할 수 있으며, 고온 작동으로 인한 향상된 열역학적 효율을 자랑한다.
• 저렴한 연료 비용: 연료가 용융염 형태이기 때문에, 고가의 농축 과정이나 연료봉 제작 과정이 필요 없어 연료 비용이 절감된다.
• 효율적인 열전달: 용융염은 우수한 열전달 성질을 가지고 있어, 효율적인 열 관리가 가능하다.

폐기물 및 확산 저항

• 적은 장기 폐기물: LFTR은 장기 방사능 폐기물의 양을 대폭 줄일 수 있으며, 토륨 연료 주기는 우라늄 연료 주기에 비해 훨씬 적은 양의 트랜스우라늄 원소를 생성한다.
• 확산 저항성: 토륨은 핵무기로의 전환 가능성이 낮아 확산 저항성이 높다. 토륨-232는 우라늄-233으로 변환되는데, 이 과정에서 발생하는 U-232는 폭탄 제조를 어렵게 하는 강력한 감마선을 방출한다.

LFTR 기술의 도전과제와 한계점 분석 🌐

LFTR 기술의 발전에 따른 주요 도전과제

상용화까지의 긴 여정

• 2014년 시카고 대학의 연구에 따르면, LFTR(Liquid Fluoride Thorium Reactor) 기술이 아직 상업 단계에 이르지 못함으로써 대규모 생산의 경제적 이점을 실현하지 못하고 있다. 기존 우라늄 발전소와 비교해 비용 절감 효과가 있음에도 불구하고, 현재 산업 환경에서는 새로운 LFTR을 구축하기에 충분한 비용 차이를 보이지 않는다.

증식률 달성의 의문

• LFTR 계획은 보통 증률(breeding ratio)의 균형을 목표로 하지만, 안전 요구 사항을 충족시키기 위한 타협으로 인해 이를 달성하는 것이 불확실하다. 특히 토륨 연료 주기는 제한된 수의 중성자를 가지고 있어, 경제적 이유로 제한된 화학 재처리와 부정적인 공허 계수를 달성하기 위한 타협 때문에 많은 중성자가 손실될 수 있다.

추가 개발 필요성

• 1960년대에 이미 ARE와 MSRE 실험용 반응기가 건설되었음에도 불구하고, LFTR 기술은 여전히 많은 개발이 필요하다. 이에는 화학 분리, 비상 냉각 시스템, 삼중수소 장벽, 원격 조작 유지 보수, 대규모 리튬-7 생산, 고온 발전 사이클 및 더 내구성 있는 재료 개발 등이 포함된다.

초기 연료 문제

• 우라늄과 달리, 토륨에서는 가연성 동위원소가 자연적으로 존재하지 않아, LFTR은 초기 가동을 위해 소량의 가연성 물질이 필요하다. 이는 가용성이 적은 문제를 제기하며, 반응기를 단기간 내에 가동하는 방법에 대한 고민을 낳는다.

염의 동결

• 플루오라이드 염 혼합물은 300°C에서 600°C 사이의 녹는 점을 가지고 있어, 특히 베릴륨 플루오라이드가 포함된 염은 동결점 근처에서 매우 점성이 높다. 이는 용기 및 열교환기의 설계와 동결 방지에 신중을 기해야 함을 의미한다.

베릴륨 독성

• 제안된 염 혼합물 FLiBe는 인간에게 유독한 베릴륨을 대량으로 포함하고 있다. 주요 냉각 루프의 염은 작업자와 환경으로부터 격리되어야 하며, 이는 산업에서 일상적으로 수행되는 작업이다.

결론

LFTR 기술은 여전히 많은 발전과 도전과제를 안고 있으며, 이는 상업적 수준으로의 전환을 어렵게 만든다. 경제적 이점, 안전성, 환경 영향 등 여러 면에서 이점이 있음에도 불구하고, 이 기술의 성공적인 구현을 위해서는 상당한 연구와 개발이 필요하다.

세계의 토륨 연료 사이클과 몰텐 솔트 리액터 프로젝트 최신 동향 🌍

FUJI MSR 프로젝트

FUJI MSR은 100~200 MWe급 몰텐 솔트를 연료로 사용하는 토륨 연료 사이클 열 분열 반응기 디자인이었습니다. 일본, 미국, 러시아로 구성된 컨소시엄에 의해 개발되었습니다. 2010년 7월에는 업데이트된 계획이 발표되었으며, kWh당 2.85센트의 비용이 예상되었습니다. MiniFUJI 10 MWe 반응기 건설을 목표로 했으나, 자금 조달 실패로 2011년 IThEMS는 폐업했습니다. 이후 Kazuo Furukawa와 Masaaki Furukawa가 Thorium Tech Solution (TTS)을 설립하고 FUJI 디자인과 관련 특허를 인수했습니다.

중국의 토륨 MSR 프로젝트

중국은 2011년부터 토륨 기반 몰텐 솔트 리액터 기술에 대한 연구 및 개발 프로젝트를 시작했습니다. 이 프로젝트는 20년 내에 토륨 기반 몰텐 솔트 핵 시스템을 개발하는 것을 최종 목표로 합니다. 단계적으로 2MW 연구용 리액터, 10MW 시범 리액터, 그리고 100MW 시범 리액터를 건설할 계획입니다. 2021년 8월에는 2MW 실험용 토륨 몰텐 솔트 리액터를 완성했으며, 2030년까지 373MW 버전을 개발할 계획입니다.

Flibe Energy와 기타 프로젝트들

Kirk Sorensen이 창립한 Flibe Energy는 특히 액체 불화물 토륨 리액터(LFTR)에 초점을 맞춘 소규모 모듈형 리액터 디자인 개발을 목표로 합니다. TEG(Thorium Energy Generation Pty. Limited)는 LFTR 리액터와 토륨 가속기 구동 시스템의 상업적 개발을 목표로 했던 호주의 연구 개발 회사였으나, 2015년에 운영을 중단했습니다. Alvin Weinberg Foundation은 토륨 에너지와 LFTR의 잠재력에 대해 인식을 높이기 위해 설립된 영국의 자선 단체입니다. ThorCon은 미국 기반의 회사로, 해상에 설치할 수 있는 몰텐 솔트 리액터를 제안했습니다. 마지막으로, 네덜란드의 Nuclear Research and Consultancy Group은 토륨 플루오라이드 솔트의 조사 연구를 진행 중입니다.

창원 경남, 소형모듈원자로(SMR) 파운드리 허브로 거듭나다! 🌟

SMR 클러스터 구축 및 지원 계획

2024년 2월 22일, 정부는 창원과 경남 지역을 소형모듈원자로(SMR) 클러스터로 집중 지원하여 '글로벌 SMR 파운드리 허브'로 발전시키겠다는 계획을 발표했습니다. 이 계획은 원전 산업의 생태계 복원과 SMR을 통한 강국 도약을 목표로 하며, 원전 관련 일감과 특별 금융 지원, 세액 공제 확대, R&D 혁신 지원 등을 포함합니다.

i-SMR 개발 및 사업화 전략

산업통상자원부 안덕근 장관은 독자적인 기술 개발, 선제적 사업화 추진, 국내 파운드리(위탁생산) 역량 강화를 세 가지 주요 전략으로 제시했습니다. 특히, 2028년을 목표로 한 한국형 SMR인 'i-SMR'의 개발을 가속화하기 위해 예산을 전년 대비 9배 증액하고, 다양한 노형의 국내외 사업화를 위한 체계와 전략을 마련할 계획입니다.

정책 일관성 및 중장기 로드맵

정부는 원전산업지원특별법을 제정하고, 2050년까지의 중장기적 원전 로드맵을 수립하여 추진할 계획을 밝혔습니다. 이는 정책 변화 등에 따른 불확실성에 대비하고, 정책의 일관성을 담보하기 위한 목적입니다. 궁극적으로는 '공장에서 원전을 만들어 수출하는 시대'에 대비하여 SMR 위탁 생산 시장을 선점하는 것이 목표입니다.

SMR의 특징 및 장점

SMR은 일반적인 원전 1기의 발전 용량의 3분의 1인 300MW를 밑도는 소형 원전으로, 원자로와 가압기 등이 일체형으로 된 구조를 가지고 있습니다. 이로 인해 설치 장소에 구애받지 않으며, 일반 원전보다 상대적으로 안전하고 경제적인 장점을 가지고 있습니다.

일체형 소형원자로 SMART, 세계를 누비다 🌍

일체형 소형원자로 SMART란?

SMART(System-integrated Modular Advanced ReacTor)는 대한민국에서 개발한 열출력 330MWt의 중소형 다목적 일체형 원자로입니다. 이 원자로는 한국원자력연구원과 산업체의 협력으로 개발되었으며, 2012년에 표준설계인가를 받았습니다. SMART는 전력과 해수담수화를 동시에 제공할 수 있는 능력을 갖추고 있어, 특히 물 부족 국가에 적합한 해결책으로 평가받고 있습니다.

안전성과 경제성

SMART는 1차계통 주요 기기를 잇는 배관이 없어, 배관 파손으로 인한 사고 가능성을 원천적으로 제거하였습니다. 중대사고 시 격납건물과 원자로 압력용기 사이의 공간을 전기 없이도 중력으로 물로 채울 수 있게 설계되었습니다. 또한, 발전 단가가 kWh당 6~10센트로, 중소형 화력 발전소보다 저렴하여 경제성이 뛰어납니다.

세계 시장에서의 SMART

2015년 3월, 한국은 사우디아라비아와 SMART 원자로 2기를 20억 달러에 수출하는 계약을 체결했습니다. 이 계약은 세계 최초의 중소형 원자로 수출 사례로, 한국과 사우디아라비아 간의 건설 전 상세 설계를 공동으로 진행하는 대가로 1억 3천만 달러를 받기로 했습니다. 이는 국내 원자력 기술의 핵심 역량을 집약한 SMART의 해외 진출로, 해외 시장 개척의 전기가 될 것으로 기대됩니다.

전망

SMART는 세계 중소형 원전 시장에서 미국, 러시아, 아르헨티나 등의 경쟁국을 제치고 선점할 가능성이 높습니다. 이는 전력 소비량이 적어 대형 원전을 건설하기에 부적절한 소규모 전력망 국가나 물부족 국가 등에 적합한 솔루션을 제공할 수 있기 때문입니다.

KAIST-MMR

초임계 이산화탄소로 냉각되는 KAIST 마이크로 모듈러 리액터(MMR)에 관한 개념 연구가 수행되었습니다. 이 리액터는 매우 소형이며 트럭으로 운반 가능합니다. MMR의 열 출력은 36.2MWth이며, 20년 동안 연료 재충전 없이 운영될 수 있도록 설계되었습니다. 모든 구성요소가 작은 반응기 용기 안에 통합되어 있으며, 긴 수명과 최소 부피를 위해 고속 중성자 스펙트럼이 사용되었습니다. 고밀도 우라늄 모노나이트리드 U^15N 연료가 사용되어 중성자 경제성을 향상시키고 코어 내 연료 부피 비율을 최대화했습니다.

China HTR-PM

중국의 고온가스로 페블베드 모듈(High Temperature Gas-cooled Reactor-Pebble-bed Module, HTR-PM)이 상업 운영에 들어갔습니다. 산둥성 시다오완(Shidaowan)에 위치한 이 시설은 두 개의 250MWt 페블베드 원자로로 구성되어 있으며, 단일 210MWe 터빈에 증기를 공급합니다. 이 프로젝트는 중국 화낭 그룹(China Huaneng Group, 47.5%, 컨소시엄 리더 및 플랜트 운영자), 중국 국가핵공사(CNNC) 자회사인 중국핵공학공사(China Nuclear Engineering Corporation, 32.5%, EPC 계약자 및 연료 공급자), 칭화대학교(Tsinghua University, 20%, 기술 리더)의 컨소시엄에 의해 소유되고 운영됩니다.

이 시설은 상업 규모의 모듈형 고온가스 냉각 페블베드 발전소로서, 그리고 4세대 원자력 발전소로서 상업 운영에 들어간 세계 최초의 시설입니다. 2012년에 건설이 시작되어 첫 번째 원자로는 2021년 9월에, 두 번째 원자로는 그 두 달 후에 초임계 상태에 도달했습니다.

HTR-PM은 헬륨을 냉각제로 사용하며, 그라파이트를 조절물질로 사용합니다. 각각의 원자로는 직경 60mm, 연료를 8.5% 농축한 7g의 연료를 포함한 245,000개 이상의 구형 연료 요소('페블')로 채워져 있습니다. 각 페블은 그라파이트의 외부 층을 가지며, 그라파이트 분말 매트릭스에 분산된 약 12,000개의 4층 세라믹 코팅 연료 입자를 포함합니다.

이 원자로들은 상업 규모에서 처음으로 페블베드 기술의 "내재적 안전성"을 확인하는 시험을 거쳤으며, 이는 인간의 개입이나 비상 코어 냉각 시스템 없이 자연적으로 냉각될 수 있다는 것을 입증했습니다.

이 프로젝트는 중국의 "이중 탄소" 목표를 달성하고 에너지 구조를 최적화하는 데 긍정적인 역할을 할 것으로 인식되며, 현재 중국 시장에서 천연가스와 석탄의 연소를 대체하여 석유 화학 산업에 증기와 전기를 공급하는 데 비용 효과적입니다. 이 기술은 칭화대학교의 기술 리더십 하에 중국 화낭 그룹이 소유 및 운영하고, 중국 국가핵공사가 엔지니어링, 조달 및 건설 계약자 및 연료 제조업체로 참여하는 협력 노력의 결과물입니다.

러시아의 부유식 원자력 발전소, KLT-40S 알아보기 😊

KLT-40S 란?

러시아의 KLT-40S는 부유식 원자력 발전소인 '아카데믹 로모노소프'에 사용되는 원자로 변형입니다. OKBM 아프리칸토프에 의해 개발되고 NMZ에서 생산된 이 원자로는 열 출력 150MW(약 52MWe, 35% 효율)를 생산합니다. 이 원자로는 20% 미만으로 저농축된 우라늄(LEU) 연료를 사용하며, 평균 농축도는 14.1%입니다. 연료 주기는 3년입니다.

부유식 원자력 발전소의 특징

부유식 원자력 발전소는 자체 추진 능력이 없는 선박으로, 길이 144.4미터, 폭 30미터, 높이 10미터, 그리고 흘수가 5.6미터입니다. 이 선박의 배수량은 21,500톤이며, 69명의 승무원이 탑승합니다. '아카데믹 로모노소프'는 두 개의 KLT-40S 원자로를 갖추고 있으며, 각각 35MW의 전력을 생산합니다. 이 발전소는 40년의 서비스 수명을 가지며, 전력 용량은 70MW, 열 용량은 50Gcal/h입니다.

전략적 중요성

러시아는 부유식 원자력 발전소를 통해 원격 지역 및 북극 지역에 안정적인 전력과 열을 공급하는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 이러한 발전소는 특히 원격 지역에서의 지속 가능한 발전을 위한 중요한 돌파구로 여겨집니다. '아카데믹 로모노소프'의 상업 운영 시작은 2020년 5월로, 이는 러시아의 원격 지역에서의 지속 가능한 발전을 보장하는데 있어 중요한 이정표가 되었습니다.

인도의 IPHWR-220 원자로 🤔

IPHWR-220 (Indian Pressurized Heavy Water Reactor-220)은 인도의 바바 원자력 연구 센터에서 설계한 압력 중수형 원자로입니다. 이는 세대 II 원자로로, 라자스탄의 Rawatbhata에 위치한 초기의 CANDU 기반 RAPS-1 및 RAPS-2 원자로에서 발전된 디자인입니다. 주요 특징으로는 중수를 주요 냉각재 및 중성자 감속재로 사용하며, 경수를 2차 냉각재로 활용합니다. 이 원자로의 운영 압력은 대략 87에서 100 kg/cm² (g) 범위이며, 활성 코어 높이는 508.5에서 594cm, 평균 연료 전력 밀도는 9.24 KW/KgU입니다. 연료 조립체는 총 3672에서 4704개의 연료 번들로 구성되며, 각각 19 또는 37개의 연료 막대가 3 또는 4개의 링으로 배열됩니다. 이 원자로는 천연 우라늄 다이옥사이드(UO₂) 펠릿을 연료로 사용하며, 재장전 연료의 농축도는 0.7% U-235입니다. 안전 시스템으로는 활성 셧다운 냉각 시스템과 수동 증기 발생기를 통한 자연 순환 시스템, 그리고 비상 시 핵심 냉각 시스템이 포함됩니다

FIRST 프로그램, 안전한 SMR 기술 사용을 위한 길을 열다 🌍

소개

2024년, 바이든 행정부는 기후 위기에 대응하기 위한 다각적인 계획의 일환으로, 작은 모듈형 원자로(Small Modular Reactor, SMR) 기술의 책임 있는 사용을 위한 기초 인프라스트럭처(FIRST) 프로그램을 소개했습니다. 이 프로그램은 여러 미국 정부 기관이 협력하여 파트너 국가들이 SMR 또는 기타 고급 원자로 프로그램을 안전하고 책임감 있게 구축할 수 있도록 지원하는 다목적 정책입니다.

목표 및 혜택

FIRST 프로그램의 주요 목표는 파트너 국가들이 핵 안보, 안전, 비확산의 가장 높은 국제 표준 하에 원자력 프로그램을 설립할 수 있도록 돕는 것입니다. 이를 통해 지속 가능한 에너지 계획에 차세대 핵 혁신 및 기술을 활용하고, 청정하고 신뢰할 수 있는 에너지 목표를 달성하며, 글로벌 기후 보호에 기여할 수 있습니다.

FIRST는 SMRs 또는 기타 고급 원자로를 고려하는 국가들에게 다음과 같은 혜택을 제공합니다:

• 비용 절감
• 그리드 크기에 맞는 확장성
• 배치 유연성 및 작은 발자국
• 바람과 태양광과 같은 다른 청정 에너지 소스와의 결합 가능성
• 해수 담수화, 산업 공정, 지역 난방, 수소 생산 등 다양한 응용 프로그램.

최근 활동

2024년 1월 22일, FIRST 프로그램은 루마니아에서 FIRST 전문가 프로페서 Peddicord의 인터뷰를 발표하는 등 여러 활동을 통해 세계 각국과의 협력을 강화하고 있습니다. 또한, 2023년에는 가나의 민간 핵 에너지 프로그램 지원 발표, 쓰리씨즈 이니셔티브 정상회담, 인도네시아 및 필리핀 연구 여행 등 다양한 이벤트와 발표를 진행했습니다.

TerraPower 2024년 최신 업데이트 🌍

TerraPower의 이사회 참여 및 프로젝트 진행 상황

2024년 1월, 에디슨 전기 연구소(EEI)의 전 회장이자 CEO였던 토마스 쿤이 TerraPower의 이사회 고문으로 참여하기 시작했습니다. 쿤은 30년 이상 EEI를 이끌며 미국의 투자자 소유 전기 회사들을 대표하는 데 기여했으며, 그의 방대한 산업 지식과 경험을 TerraPower에 제공할 것으로 기대됩니다.

Natrium 프로젝트 진행 상황

TerraPower는 GE Hitachi와 함께 개발한 Natrium 기술을 바탕으로 한 첫 Natrium 플랜트를 와이오밍주 케머러에 건설할 예정입니다. 이 345MWe 나트륨 빠른 반응로는 수요가 증가할 때 최대 500MWe까지 출력을 늘릴 수 있는 에너지 저장 시스템을 특징으로 합니다. 초기 건설 활동은 2024년에 시작될 예정입니다.

케머러 핵 발전소 개장 지연

러시아의 우크라이나 침공으로 인해 필요한 고농축 우라늄(HALEU)을 공급받을 수 없게 되면서, 케머러에 위치한 TerraPower의 핵 발전소 개장이 2년 지연될 예정입니다. 이로 인해 발전소의 시작 날짜는 2030년으로 밀려났습니다.

새로운 핵연료 실험

TerraPower와 아이다호 국립 연구소(INL)는 새로운 핵연료의 내구성 시험을 위해 협력하고 있습니다. 이 프로젝트는 다양한 합금을 사용하여 100번 이상의 시험 압출을 수행했으며, 이를 통해 새로운 연료 슬러그 제조 공정에 대해 학습했습니다. 이 새로운 연료는 기존의 주조 방식으로 만들어진 연료보다 더 얇고 길며, 생산 비용이 저렴하고 효율적입니다.

HALEU 공급망의 필요성

TerraPower는 HALEU 기반의 첨단 핵 에너지 기술이 미래의 탄소 배출 없는 에너지 목표를 달성하는 데 중요하다고 강조합니다. 현재 미국 내에서는 HALEU를 상업적 수준에서 공급할 수 있는 국내 공급망이 없어, 이는 첨단 핵 반응로의 개발과 상용화에 주요한 장애물로 작용하고 있습니다. TerraPower는 미국 내 HALEU 공급망의 개발을 지원하고 있으며, 이는 러시아로부터의 우라늄 의존도를 줄이는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

SMR과 MMR의 차이점 이해하기✨

SMR과 MMR의 기본 개념

SMR(Small Modular Reactor)과 MMR(Micro Modular Reactor)은 모두 소형 모듈형 원자로를 지칭합니다. 이들은 전통적인 대형 원자력 발전소에 비해 더 작고, 모듈식 구조로 설계되어 있어 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 하지만 SMR과 MMR 사이에는 몇 가지 주요 차이점이 있습니다.

SMR의 특성

• 경제성과 안전성 강화: SMR은 비용과 안전성 측면에서 향상된 방안을 제공합니다. 전통적인 대형 원자로에 비해 더 작은 규모로 제작되어, 공장에서 모듈식으로 생산될 수 있으며, 이는 건설 비용과 시간을 줄여줍니다.
• 다양한 디자인과 기술: SMR에는 여러 가지 디자인과 기술이 존재합니다. 이들은 열중성자 반응기부터 고속 중성자 반응기에 이르기까지 다양한 유형을 포함하며, 다양한 냉각재와 발전 방식을 사용합니다.
• 환경적 이점: SMR은 기존 대형 원자력 발전소에 비해 CO2 배출을 줄이는 데 기여할 수 있으며, 재생 가능 에너지와의 결합도 가능합니다.

MMR의 특성

• 규모와 구현: MMR은 SMR보다 더 작은 규모로 설계되어 있으며, 특정한 용도(예: 원격 지역에서의 사용, 산업 프로세스에 대한 열 공급 등)에 적합합니다.
• 고온 가스 냉각 기술: 일부 MMR 설계는 고온에서 작동하는 가스 냉각 방식을 사용하여, 전기뿐만 아니라 고온 열을 공급할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 이는 수소 생산이나 다른 산업 공정에 유용할 수 있습니다.
• 안전성과 모듈성: MMR도 SMR과 마찬가지로 높은 안전성을 제공합니다. 모듈식 설계 덕분에 제작과 설치가 용이하며, 작은 크기로 인해 잠재적인 위험을 줄일 수 있습니다.

결론

SMR과 MMR은 모두 원자력 발전의 미래를 위한 혁신적인 해결책을 제시하지만, 그 규모와 특정 기술적 적용 면에서 차이를 보입니다. SMR은 다양한 발전 요구를 충족시킬 수 있는 반면, MMR은 특히 소규모나 특수 목적의 에너지 공급에 더 적합할 수 있습니다. 각각의 특성을 이해하고 적절한 상황에 맞는 원자로를 선택하는 것이 중요합니다.

소형원자로 폐기물 처리 방안과 과제🔍

소형원자로의 발전과 폐기물 처리 문제

소형원자로(SMR)는 탄소중립 실현을 위한 에너지 전환의 한 방법으로 주목받고 있습니다. 그러나 SMR의 활성화에 따른 폐기물 처리 문제는 여전히 해결해야 할 중요한 과제입니다. 특히, 파이로프로세싱 기술을 통한 폐기물 처리 방법이 대안으로 제시되고 있으나, 이에 대한 법제화 및 기술 개발이 필요한 상황입니다.

폐기물 처리의 중요성 및 과제

원자력 발전은 온실가스 배출 없이 안정적으로 대용량의 전기를 공급할 수 있는 유일한 에너지원 중 하나입니다. 그러나 방사성 폐기물의 안전한 처리와 처분은 원자력 발전의 가장 큰 과제 중 하나로 남아 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 과학적인 재활용 연구와 안전한 처분 방법의 개발이 필요합니다.

소형원자로 폐기물의 특성 및 관리 문제

소형 모듈식 원자로는 기존 대형 원자로에 비해 더 많은 중성자 방사선과 오염 물질을 생성할 수 있으며, 이로 인해 발생하는 방사성 폐기물의 양이 대형 원자로보다 최대 30배 많을 수 있습니다. 이와 같은 폐기물은 특수한 처리와 처분 방법을 요구하며, 기존의 처분 기술과 저장소 개념과는 양립할 수 없는 새로운 접근 방식을 필요로 합니다.

결론 및 대응 방안

소형원자로의 활성화는 탄소중립 목표 달성을 위한 유망한 방안이지만, 동시에 폐기물 관리의 새로운 도전을 제시합니다. 이를 해결하기 위해선 파이로프로세싱과 같은 혁신적인 기술 개발, 법제화, 안전한 처분 방법의 연구 및 개발이 시급히 필요합니다. 이 과정에서 국제적 협력과 공동 연구의 중요성도 강조됩니다.

핵폐기물 처분의 길을 찾아서: 2024년 동향 분석 🌍

핵폐기물의 안전한 처분은 전 세계적으로 중요한 환경 및 공공 안전 문제입니다. 현재 핵폐기물은 세계 각국에서 증가하고 있으며, 이에 대한 장기적인 저장 솔루션을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 본문에서는 최신 연구 동향과 여러 국가의 핵폐기물 처분 계획에 대해 소개합니다.

핵폐기물의 도전과 연구

세계 곳곳에서는 25만 톤이 넘는 고방사성 폐기물이 핵발전소 및 무기 생산 시설 근처에 저장되어 있으며, 이 중 90,000 톤 이상이 미국에 있습니. 이러한 폐기물은 인간의 건강과 환경에 심각한 위험을 초래할 수 있는 방사능을 방출합니다. 이를 안전하게 처리하기 위해, 과학자들은 핵폐기물을 장기적으로 저장할 수 있는 컨테이너의 부식을 연구하고 있습니다. 이 연구는 핵폐기물의 누출로부터 사람과 환경을 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.

캐나다의 핵폐기물 지질학적 처분소

캐나다는 2024년까지 고준위 핵폐기물을 위한 지질학적 처분소의 부지 선정을 완료할 계획입니다. 이는 캐나다 내에서 사회적 긴장과 논쟁의 원인이 되고 있으며, 몇몇 국가는 이러한 프로젝트를 성공적으로 진행한 경험이 거의 없습니다.

핀란드의 온칼로 프로젝트

핀란드는 세계에서 처음으로 핵폐기물을 영구적으로 처분할 수 있는 시설, 온칼로를 건설하고 있습니다. 핀란드의 결정은 전 세계적으로 주목받고 있으며, 이 프로젝트는 다른 국가들에게도 모범이 되고 있습니다. 온칼로의 성공적인 진행은 핀란드의 저밀도 인구와 결정 과정에서의 원활함 덕분에 가능했습니다.

미국의 핵폐기물 관리 정책

미국은 핵폐기물 관리에 있어 현재 교착 상태에 있으며, 이는 핵에너지가 제로 탄소 전기를 더 많이 공급하는 데 있어 잠재력을 제한하고 있습니다. 유카 마운틴 프로젝트는 핵폐기물을 위한 미국 내 유일한 잠재적 처분지로 지정되었지만, 여러 반대와 재정 지원 중단으로 인해 진행이 중단되었습니다.

이러한 도전에도 불구하고, 핵폐기물의 안전한 처분을 위한 국제적인 노력은 계속되고 있으며, 새로운 연구와 기술 개발을 통해 이 문제를 해결하기 위한 방안이 모색되고 있습니다.

핵연료 재처리 기술의 최신 동향 🌍

핵연료 재처리 기술의 발전과 국제 승인

2021년 한국은 미국으로부터 핵연료 재활용 기술에 대한 공식 승인을 받았습니다. 이는 한국원자력연구원의 파이로프로세싱 실험시설 '프라이드(PRIDE)'에서 개발된 기술로, 사용 후 핵연료를 재활용하여 4세대 원전 소듐냉각고속로(SFR)의 핵연료로 사용할 수 있게 합니다. 이 기술은 핵폭탄 연료인 플루토늄의 추출을 방지하는 건식 재처리 방식으로, 핵안전과 환경 보호 측면에서 큰 의미가 있습니다.

핵연료 재처리 기술의 역사와 방법

핵연료 재처리 기술은 사용 후 핵연료에서 유용한 원소를 분리하여 재활용하는 과정입니다. 과거 미국, 프랑스, 영국 등 여러 국가에서 상업적 목적으로 재처리가 이루어졌으나, 핵확산 위험으로 인해 일부 국가에서는 제한적으로만 실시되어 왔습니다. 재처리 방법에는 습식 재처리법인 PUREX 공법과 건식 재처리법인 파이로프로세싱이 있으며, 각각의 방법은 장단점을 가지고 있습니다.

재처리 기술의 논란과 안전성 문제

핵연료 재처리 기술은 핵무기 확산 방지와 환경 보호 측면에서 중요한 기술이지만, 재처리 공정 중 발생할 수 있는 안전성 문제와 핵폐기물 관리에 대한 논란이 존재합니다. 예를 들어, 일본의 경우 사용 후 핵연료 재처리 공장 관련 문서에서 문제점 기재를 누락한 사례가 보고되기도 했습니다.

파이로프로세싱 기술 발전 현황 및 논란 포인트 🌟

파이로프로세싱 기술의 최신 동향

파이로프로세싱은 사용된 핵연료를 재활용하기 위한 열화학적 공정 중 하나로, 전기화학적 연료 처리 기술을 활용하여 사용된 연료를 금속 연료로 재활용합니다. 이 과정은 빛나는 물 반응로에서 회수된 단단한 세라믹 산화물 펠릿을 금속으로 전환한 후, 용융염 욕조에서 전기 정련을 통해 우라늄과 기타 재사용 가능한 원소를 선택적으로 용해 및 재침전시켜 고속로에서 사용할 수 있는 연료를 제작합니다.

아르곤 국립 연구소는 파이로프로세싱 기술의 상용화 수준으로의 발전을 목표로 하고 있으며, 최신 기술을 활용하여 설계를 개선하고 있다. 이 연구소는 고속로의 상용화에 필수적인 재활용 연료 제공을 위한 실용적인 해결책으로 전기정련을 지목하고 있다. 파이로프로세싱은 핵연료 재활용의 경제성을 향상시키고 장기적으로 사용된 핵연료를 관리하는데 기여할 수 있다.

파이로프로세싱 기술의 논란

파이로프로세싱은 사용된 핵연료의 부분 재활용으로, 핵폭탄 제조에 필요한 순수 플루토늄 대신 여러 폐기물과 혼합된 플루토늄을 생성합니다. 이론적으로 이 혼합된 플루토늄을 사용하여 핵발전을 할 수 있으나 순수한 무기 제조에는 적합하지 않습니다. 그러나 일부 반대자들은 파이로프로세싱 시스템을 무기급 플루토늄을 만들기 위해 조정하기가 너무 쉽다고 우려합니다. 또한, 파이로프로세싱은 장기 저장 문제를 완전히 해결하지 못하며, 몇 차례 재활용 후에도 고준위 핵폐기물이 여전히 발생합니다.