| 초록 |
#12월 우수전문가 동향보고서(KOSEN Expert Insight)# 이 자료는 한국원자력연구원에 계신 강석훈박사님께서 작성해주셨습니다. 1. 개요 현재 국내 가동 중인 상용 원자력발전소는 노심 냉각과 핵분열을 위해 각각 물과 열중성자를 사용한다. 반면 소듐냉각고속로는 기존 경수로나 중수로와 달리 높은 에너지의 고속 중성자(fast neutron)를 이용해 핵분열 반응을 일으키며 금속인 소듐(Na)을 냉각재로 사용한다[1]. 고속중성자는 핵분열 과정에서 반감기가 길고 독성이 강한 물질을 줄이며 재사용 가능한 원전 연료는 오히려 증식시킬 수 있다. 이로 인해 연료인 우라늄 이용률을 이론적으로 60배 수준으로 늘릴 수 있고 영구 처분이 필요한 고준위 폐기물 양은 100분의 1로 줄일 수 있다. 소듐은 물에 비해 낮은 압력에서 끓는점이 높기 때문에, 원자로의 압력을 대기압 수준으로 낮추어 안전성을 크게 향상시키고 이외 발전소 열효율도 증가시킨다. 소듐냉각고속로는 이러한 안전성 및 핵연료 재활용 측면에서의 장점으로 현재 일부 선진국을 중심으로 개발 중인 신개념 4세대 원자력발전 시스템 중 상용화 가능성이 가장 높은 것으로 평가된다[1, 2]. 4세대 원자력발전 시스템은 2000년을 전후해 주목받기 시작한 미래형 차세대 원자로로, 현재 가동 중인 3세대 원전 대비 안전성과 경제성 그리고 핵연료 활용 효율성을 향상시킨 시스템이다. 핵폐기물 최소화를 통한 지속적인 에너지 생산, 소외 전원이 필요 없는 피동 안전성 확보, 핵확산 방지, 높은 경제성 등의 특성을 지니며, 2030년 실용화를 목표로 선진국을 중심으로 한 국제 공동 연구를 통해 개발되고 있다. 중국은 현재 실험용 소듐냉각고속로를 가동 중이며, 2030년경 상업 운전을 목표로 개발 진행 중이다. 프랑스는 발전출력 600MW급의 ASTRID를 2020년 개발 목표로 연구 진행 중이다. 러시아는 여러 기의 소듐냉각고속로를 운전 중이며, 2020년까지 안전성을 강화하고 사용후핵연료 문제를 해결할 수 있는 소듐냉각고속로 개발을 목표로 연구를 진행하고 있다[2]. 소듐냉각고속로는 단점으로 경수로에 비해 건설 단가가 비싸고 냉각재인 소듐의 취급이 까다로우며, 고농축 핵연료 사용에 따른 안전성 등의 문제를 지니고 있어 아직 실용화를 위한 기술개발을 필요로 한다. 2. 개발 현황 및 주요 특성 한국원자력연구원은 1990년대부터 4세대 원전 소듐냉각고속로 개발을 수행 중이며, 2012년 발전출력 150MW급 PGSFR(Prototype Generation-IV Sodium-cooled Fast Reactor, 그림 1 참조)에 대한 개념 설계를 착수하였고, 2020년 설계 승인과 2028년 준공을 목표로 연구를 진행 중이다[3]. PGSFR은 외부 전원 공급 없이 잔열을 제거할 수 있는 피동안전 시스템을 갖추어 4세대 원전의 안전성을 확보하였다. 또한 열전달 및 반응도 특성이 우수한 금속핵연료를 적용하여 중대사고 발생 방지 측면에서의 안전성을 크게 향상시켰다. 이외 파이로프로세싱(그림 2 참조) 과정을 통해 경수로에서 발생하는 사용후핵연료에서 분리된 핵물질을 연료로 사용하여 핵연료폐기물을 저감시킬 수 있는 장점을 지닌다. 파이로프로세싱은 건식 방법을 통한 사용후핵연료 재처리 기술로, 섭씨 500~650도의 고온에서 용융염을 이용해 쓰고 난 핵연료에서 유용한 핵물질을 분리해내는 기술이다. 기존 습식 재처리 방법과 달리 핵무기 연료인 플루토늄을 단독으로 분리할 수 없어 핵비확산성 특성을 지녔으며, 한국원자력연구원은 기술 검증 및 실용화를 위해 미국과 공동으로 연구를 진행 중이다. 그림 1. PGSFR 구조[3] 그림 2. 파이로프로세싱 개념도 3. 결론 소듐냉각고속로는 안전성 및 핵연료 재활용 측면에서 큰 장점을 지닌 신개념 4세대 원자력발전 시스템 중 상용화 가능성이 가장 높은 노형으로 평가된다. 향후 지속적인 개발을 통한 현안 해결과 파이로프로세싱 기술과 접목을 통해 국내 고준위 핵폐기물 저감 및 재활용 측면에서 중요 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다. References 1. Kazumi Aoto, et al., A summary of sodium-cooled fast reactor development, Progress in Nuclear Energy, Volume 77, Pages 247-265, November 2014. 2. Giorgio Locatelli, et al., Generation IV nuclear reactors: Current status and future prospects, Energy Policy, Volume 61, Pages 1503-1520, October 2013. 3. Jonggan Hong, et al., Heat transfer performance test of PDHRS heat exchangers of PGSFR using STELLA-1 facility, Nuclear Engineering and Design, Volume 313, Pages 73-83, March 2017. 4. E.Y. Choi, S. M. Jeong, Electrochemical processing of spent nuclear fuels: An overview of oxide reduction in pyroprocessing, Progress in Natural Science: Materials International, Volume 25, Issue 6, Pages 572-582, December 2015. |
