소듐냉각고속로(SFR)의 구성과 원리

소듐냉각고속로는 일반적으로 물인 경수와 중수를 냉각재로 사용하는 원자로와는 달리 소듐을 냉각재로 쓰는 원자로를 말하며 차세대 원전으로 각광받고 있습니다. 핵연료 활용률이 좋고, 높은 압력이 필요 없으며, 열효율도 높고, 사용 후 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 다만 소듐은 그 취급이 물보다 훨씬 어려워 아직 완전한 상용화 단계에 이르렀다고는 보기가 어렵습니다. 이번에는 소듐냉각고속로에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

소듐냉각고속로

소듐냉각고속로란? (Sodium-cooled Fast Reactor)

소듐 냉각고속로는 가장 현실성이 높은 4세대 원전으로 분류되고 있습니다. 우리가 흔히 알고 있는 나트륨이 소듐(Na)입니다. 소듐냉각고속로는 액체로 된 소듐을 사용하여 냉각합니다. 고속로이기 때문에 고속 중성자에 의한 핵분열 반응으로 발생한 열에너지를 사용합니다. 현재 6기가 운전 중이며 차세대 원전으로 각광받고 있습니다. 전 세계적으로 약 400년의 Reactor Year의 운전경험이 있습니다. 소듐은 물과 만나면 매우 격렬한 반응을 일으키기 때문에, 2개의 열전달계통을 가지고 있습니다. 즉 중간 열전달계통이 추가로 필요합니다. 가압경수로는 1차/2차 계통으로 이루어진 반면 소듐냉각고속로는 1차/2차/3차 계통으로 이루어졌다고 볼 수 있습니다. 1 차열전달계통, 중간열전달계통, 증기발생계통으로 이루어져 있고, 중간열전달계통은 1차 소듐냉각재와 2차 소듐냉각재 간의 열전달을 수행하면서 1차 냉각재가 물과 접촉하는 것을 방지합니다. 

 

SFR 계통도

소듐냉각고속로 구성 

핵연료 및 원자로 

핵연료로는 우라늄을 기반으로 하며 경수로에 비해 더 높은 핵분열성 물질을 포함합니다. 고속로는 열중성자로와 다르게 감속재가 불필요합니다. 핵연료봉의 배치도 열중성자로와 다르게 배열합니다. 소듐은 물과 만나면 격렬한 화학반응을 일으키므로 증기발생기에서 소듐 - 물 반응을 방지하기 위해 중간 열전달 계통을 별도로 구성합니다. 소듐냉각고속로에 풀형과 루프형이 있습니다.

 

풀형 : 열교환기와 냉각재 펌프를 원자로 용기 안쪽으로 배치

루프형 :  열교환기와 냉각재 펌프를 원자로 용기 바깥쪽으로 배치 

 

소듐은 공기와 만나면 발화합니다. 이를 막기 위해 내부를 불활성 가스로 채우며, 배관도 이중으로 구성하여 중간에 불활성 가스를 채웁니다. 

 

일차열전달계통(Primary Heat Transport System)

일차열전달계통은 일차 측 에너지를 이차 측으로 전달하는 계통입니다. 이차 측은 중간 열전달 계통입니다. 1차 열전달 계통은 원자로, 원자로용기, 펌프, 중간 열교환기로 구성되어 있으며 냉각재는 소듐입니다. 

 

중간열전달계통(Intermediate Heat Transport System)

중간 열전달 계통은 Closed Loop입니다. 구성품으로는 버퍼 역할을 할 수 있는 탱크와 펌프, 증기발생기로 이루어져 있습니다. 펌프에 의한 강제순환으로 유체의 에너지가 전달되며, 대부분의 배관은 이중배관으로 설계되어 있습니다. 온도변화가 있으면, 부피가 변하고 그에 따라 압력이 변할 수 있습니다. 이를 조절하기 위해  팽창탱크가 설치되어 있으며, 증기발생기는 일체형과, 증발기/과열기로 구성되는 두 가지 종류가 있습니다.   

 

증기 발생 및 동력변환계통 (Power Conversion System) 

증기 발생 및 동력변환계통은 증기를 발생시켜 터빈을 돌리고 연결된 발전기로 전기를 생산하는 계통입니다. 이 부분은 화력발전, 가압경수로발전과 동일한 원리이며 그 구성도 유사합니다. 소듐냉각고속로는 운전온도가 높아 일반 원자력 발전소에 비해 높은 증기(500~600 deg C) 온도를 가집니다, 랭킨 사이클은 온도가 높을수록 효율이 높기 때문에, 약 40% 이상의 높은 열효율을 가지며, 150 bar 이상의 고압터빈이 적용될 수 있습니다. 화력발전과 비슷한 증기조건입니다. 

 

소듐보조계통

3세대 원전까지는 적용되지 않은 계통이며, 소듐의 압력을 완화할 수 있는 파열판과 소듐이 덤프 될 수 있는 탱크가 있습니다. 소듐은 물, 공기 등과 접촉하면 위험하기 때문에 별도 이를 방지하는 계통입니다.  

 

소듐냉각고속로 장단점

소듐냉각고속로 장점

1. 사용 후핵연료를 연료로 재사용 가능합니다.
2. 대기압 조건에서 운전됨에 따라, 가압경수로보다 안전성이 뛰어나고, 원자로의 압력방출에 의한 방사성 물질이 누출될 위험이 적습니다. 또한 일차계통 기기가 냉각재 풀에 설치되므로 LOCA 가능성이 매우 적습니다. 
3. 소듐은 700 °C 이상의 높은 온도에서도 액체 상태입니다. 끓는점이 매우 높습니다. 따라서, 500~550°C 사이에서 운전된다면,  700도 이상의 비등점까지 온도 여유를 지니고 있습니다. 소듐은 전열 성능도 매우 우수하기 때문에 급격한 온도상승이 나타나기 어렵습니다. 따라서 비상노심냉각계통은 SFR에 불필요합니다. 
4. 고속중성자를 활용하기 때문에 U-238을 PU-239로 전환시켜 사용할 수 있으므로, 우라늄 자원 활용에 대한 고민이 없습니다. 또한 소듐의 경우 지구상에서 6번째로 많은 원소이기 때문에 소듐 고갈 문제도 없습니다. 
5. 소듐은 열전도율과 열효율이 물과 비교할 수 없을 만큼 좋습니다. 따라서, 기존 원자로에 비해 크기 대비 출력향상이 가능합니다. 

소듐냉각고속로 단점

1. 기존 원전 대비 초기 투자비용이 약 2배 정도 필요하며, 운전비용까지 고려하면 약 1.25배 정도 필요합니다. 
2. 소듐은 알칼리금속이기 때문에 산화반응이 매우 강합니다. 또한 물과 반응하면 굉장히 위험하여 화재가 일어날 수 있습니다. 화재로 인해 발생하는 유해 물질도 매우 유해한 편입니다.   
3. 안전성과 경제성이 개선되고 상용화가 필요하며, 아직 운전실적이 현저히 적습니다. 

이상으로 소듐냉각고속로에 대해 알아보았습니다.  소듐냉각고속로가 더욱더 발전하기를 기대해 보겠습니다.