[창간특집] 우라늄은 100배, 폐기물은 100분의 1
[창간특집] 우라늄은 100배, 폐기물은 100분의 1
  • 이성수 기자
  • 승인 2010.04.12 16:02
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소듐냉각고속로 등 제4세대 원자력기술 개발 눈앞
▲ 파이로프로세싱 연구시설(acpf) 핫셀 내부
[이투뉴스] 원자력 르네상스다. 전 세계적으로 원전 건설 붐이 일고, 원자력을 이용한 각종 연구는 발전을 거듭하고 있다.

이런 가운데 미국을 중심으로 원자력 활동이 활발한 주요 9개국은 연구개발 투자의 효율성을 높이고 위험을 분산하기 위해 2000년부터 ‘제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF; Generation IV International Forum)’을 결성해 공동연구를 수행하고 있다.

지금까지 세계 각국이 경쟁적으로 개발해 내놓은 경수로 원전기술을 ‘제3세대 원자력시스템’이라 부른다. 이들이 미래 에너지 수요 충족과 국민 수용성 확보를 위해 개발하고 있는 기술이 바로 ‘제4세대 원자력시스템(Gen-Ⅳ)’이다.

제4세대 원자력시스템은 현재의 ‘제3세대 원자력시스템’보다 지속가능성, 안전성, 경제성, 핵비확산성을 높인 시스템으로 2030년대 상용화를 목표로 개발되고 있다.

GIF는 2002년 각국 전문가들의 검토를 거쳐 제4세대 원자력시스템으로 유망한 6개의 시스템을 선정해 공동연구를 추진하고 있다.

6개 시스템은 ▶소듐냉각고속로(SFR; Sodium-cooled Fast Reactor) ▶초고온가스로(VHTR; Very-High-Temperature Reactor) ▶초임계압수냉각원자로(SCWR; Supercritical Water-cooled Reactor) ▶가스냉각고속로(GFR; Gas-cooled Fast Reactor) ▶납냉각고속로(LFR; Lead-cooled Fast Reactor) ▶용융염원자로(MSR; Molten Salt Reactor) 등이다. 이 가운데 소듐냉각고속로와 초고온가스로에 대한 참여가 가장 활발하다.

▲ 소듐냉각고속로(sfr) 조감도

◇4세대 기술의 핵심은 '소듐냉각고속로' = 교육과학기술부에 따르면 우리나라는 2005년에 GIF에 가입해 사용후 핵연료 재활용을 위한 소듐냉각고속로와 원자력 수소생산시스템인 초고온가스로 등 2개 시스템 공동 개발에 참여하고 있다.

이 가운데 우리나라가 역점을 두고 참여 중인 소듐냉각고속로는 사용후 핵연료를 재활용해 전력을 생산하는 시스템이다. 물을 냉각재로 사용하는 기존의 원자로와 달리 액체 소듐을 냉각재로 사용하기 때문에 이런 이름이 붙었다.

고속의 중성자로 핵분열반응을 일으키면서 생산된 열과 에너지를 이용하며, 사용후 핵연료에 남아 있는 고준위 방사성폐기물인 초우라늄 원소를 소각할 수 있어 고준위 방사성폐기물을 획기적으로 줄일 수 있다.

최종배 교과부 원자력정책과장은 “소듐냉각고속로는 사용후 핵연료의 안전관리 뿐 아니라 우라늄 자원의 활용 확대라는 효과를 거둘 수 있는 유망한 기술”이라며 “현재 핵연료, 안전, 운전, 기기설계, 보조설비계통 분야에서 GIF를 통한 국제공동연구가 진행되고 있다”고 설명했다.

◆ 우라늄이용률 높이고 반감기·폐기물 낮춰 = 사용후 핵연료를 파이로(Pyro) 건식처리를 통해 재가공한 후 소듐냉각고속로에 연료로 재활용하는 이른바 ‘순환형 원자력 시스템’을 완성하면 연료 효율성을 높이면서 고준위 폐기물을 줄일 수 있어 일석이조의 효과를 볼 수 있다.

이 기술을 적용하면 연료 활용성을 높여 우라늄 이용률을 경수로 대비 100배 이상 끌어올릴 수 있다. 또 반감기를 줄여 방사성 독성의 감소 기간을 1000분의 1 수준으로, 고준위 폐기물 처분장 면적은 100분의 1로 줄일 수 있다.

현재 우리나라를 비롯해 미국, 일본, 프랑스 등에서 주도적으로 소듐냉각고속로를 개발하고 있다.

프랑스는 오는 2020년까지 고속로의 원형로 운전을 개시한다는 계획을 발표했다. 또 2040년부터는 상용 고속로의 도입을 통해 기존의 경수로를 대체할 계획이다.

일본은 소듐냉각고속로를 가장 활발히 개발 중인 국가로 알려졌다. 2025년까지 소듐냉각고속실증로와 관련 핵연료 주기 시설을 건설하고, 2050년까지 상용로 도입을 목표로 연구개발을 추진하고 있다.

현재 전 세계적으로 운전 중인 소듐냉각고속로는 모두 5기이며, 3기가 건설되고 있다.

◆국내 설계능력 상당 수준 도달 = 우리나라는 2028년까지 소듐냉각고속실증로 건설 및 운영을 목표로 하고 있다. 고속로에 사용할 사용후 핵연료를 처리하는 파이로 건식처리 기술은 내년까지 핵심기술 개발 및 검증을 마치고 파이로 건식처리 실용화 시스템은 2030년까지 개발한다는 계획이다.

앞서 2001년에는 150MW 규모의 소형 소듐냉각고속로 KALIMER-150 개념설계를 완성했다. 이는 국내 최초의 소듐냉각고속로 개념설계다. 2002년부터 2006년까지는 중형 소듐냉각고속로인 KALIMER-600 개념설계를 완성했다.

KALIMER-150이 미국의 'PRISM 원자로'에서 출발한 개념인데 반해 KALIMER-600은 우리 기술력을 바탕으로 완성한 원자로다. 원자력연구원 관계자는 “비록 선진국보다 뒤늦게 소듐냉각고속로 개발을 시작했고, 이들과 달리 건설경험은 없지만 국내 고속로 설계능력은 상당한 수준으로 평가받고 있다”고 말했다.

현재 우리나라는 1200MW 용량의 대형 소듐냉각고속로를 개발 중이다.

▲ 파이로프로세싱 연구시설(acpf) 핫셀 내부

소듐냉각고속로 연구개발은 사용후 핵연료를 재활용하기 때문에 국제사회로부터 불필요한 의혹과 오해를 받지 않도록 평화적 목적으로만 이용한다는 것을 알려야 한다. 또 우리나라는 한·미 원자력협정으로 사용후 핵연료 재처리가 금지돼 있어 이에 대한 개정작업이 필요하다.

원자력연구원 관계자는 “국내에서 개발하는 소듐냉각고속로는 기본적으로 핵무기의 원료가 되는 플루토늄의 생산을 원천적으로 봉쇄해 고유 안전성이 확보되도록 설계하고 있다”고 말했다.

◆초고온가스로, 청정 수소 대량생산 = 초고온가스로는 우라늄을 연소시켜 얻은 950℃ 초고온의 열로 물을 분해해 수소를 대량 생산하는 시스템이다.

원자력연구원 관계자는 “수소는 지구상의 무한한 자원인 물로부터 얻으며 타고난 뒤 다시 물로 변환되기 때문에 환경오염 없이 지속 가능한 청청 에너지다"고 말했다. 이 관계자는 “전기에너지와는 달리 저장과 이송이 가능하고, 타면서 석유의 3배에 해당하는 에너지를 발생해 활용도 및 경제성이 높다”고 덧붙였다.

초고온가스로는 950℃ 초고온 운전조건에서 안전운전이 가능한 열중성자 원자로다. 고온열을 이용한 수소생산 및 고효율 전력생산이 가능한 제4세대다. 초고온가스로는 수소 생산 외에도 고효율 중소형 전력 생산 시장 진입에 최적의 조건을 갖추고 있다.

중동, 북아프리카, 동남아 등 개발도상국의 원자력 선호도가 높아지면서 전력 생산을 위한 중·소형 규모의 원자로 개발 수요도 늘고 있다. 개발도상국의 중·소형 원자로 시장 규모는 2030년까지 약 350조원이다.

초고온가스로 시스템 개발에는 우리나라를 비롯해 미국, 일본, 프랑스, 스위스, 유럽연합(EU), 중국, 캐나다 등 8개국이 참여하고 있다. 향후 남아프리카공화국과 러시아가 추가로 참여할 예정이다.

일본은 2015년까지 열화학 수소생산 플랜트를 건설하고 2025년부터 초고온가스로를 이용한 원자력수소생산 상용시스템 완성을 계획하고 있다. 또 미국은 차세대원전(NGNP) 개발 사업을 통해 관련 연구를 진행하고 있으며 프랑스는 2025년 상용화를 목표로 초고온가스로를 개발하고 있다.

우리나라는 원자력기술개발사업 과제인 ‘원자력수소핵심기술개발’과 연계해 오는 2026년까지 원자력이용 수소생산시스템 개발을 목표로 초고온가스로 연구개발을 추진하고 있다.

이성수 기자 anthony@e2news.com

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