제4세대 원자로 (Gen-IV)

현재 가동 중인 원자력 발전소는 모두 3세대 원자로입니다. 가압경수로와 비등경수로가 대표적인 노형입니다. 미래기술로 개발되고 있는 원자로를 4세대 원자로라고 합니다. SFR, MSR 등의 노형이 여기 포함됩니다. 4세대 원전의 가장 큰 특징은 물대신 다른 냉각재를 사용한다는 점입니다. 4세대 원자로에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

제 4세대 원자로

 

제4세대 원자로란? ( Generation-IV Reactor ) 

Generation-IV Reactor라고 불리는 4세대 원자로는 현재 연구개발 중인 원자로 설계의 대표주자입니다. 높은 안전성, 폐기물 최소화, 천연자원 이용의 최소화, 핵확산 저항성, 원자로의 건설 운용비용의 저감 하면서 에너지 공급과 신뢰성을 확보하여 운전이 가능한 원자로로 개발하고자 하고 있습니다. 4세대 국제포럼에서 시작되었으며, 6개의 시스템이 선정되었습니다. 각기 개발 과정에 차이는 있지만, 20년대까지 기술목표를 달성하고, 2030년 이후 착공을 목표로 하고 있습니다. 

 

제4세대 원자로 분류 

4세대 원자로에 선정된 6개 시스템은 아래와 같습니다. 

1. Sodium Cooled Fast Reactor (SFR, 소듐 냉각 고속로)
2. Very High Temperature Gas-cooled Reactor (VTHR, 초고온가스로)
3. Lead-cooled Fast Reactor (LFR, 납냉각고속로)
4. Gas-cooled Fast Reactor (GFR, 가스냉각고속로)
5. Supercritical-water-cooled Reactor (SCWR, 초임계압수냉각로)
6. Molten Salt Reactor (MSR, 용융염로)

그 각각에 대해 간략히 알아보도록 하겠습니다. 

 

소듐냉각고속로(SFR, Sodium-cooled Fast Reactor) 

냉각재로 액체 소듐을 사용하는 고속증식로입니다. 

• 장점 : 사용 후 핵연료를 사용할 수 있으며, 핵폐기물의 부피를 1/20으로 줄일 수 있음, 소듐은 지구에서 6번째로 많은 원소로 고갈의 위험이 적음.  
• 단점 : 소듐의 높은 반응성으로 공기나 물과 접촉했을 때 폭발 위험이 있어, 2중, 3중 설계로 인해 건설단가가 높음. 

2023.12.26 - [산업의 이해] - 소듐냉각고속로(SFR)의 구성과 원리

소듐냉각고속로(SFR)의 구성과 원리

 

 

초고온가스로(VHTR, Very High Temperature Gas-cooled Reactor) 

에너지 효율을 최대화하기 위해, 초고온(900~1000C)의 운전 온도를 사용하며, 3겹 피복 핵연료를 사용하며, 냉각재로는 헬륨, 감속재로는 흑연을 사용합니다. 

• 장점 : 흑연이 붕괴열을 흡수하므로, 사고 발생 시 안전성이 높고, 운전온도가 높기 때문에 다양한 산업분야에 활용이 가능합니다. 피복핵연료는 핵비확산성이 뛰어나 방사선 외부 누출 우려가 적어, 초소형 원자로 개발에 활용되고 있습니다. 수소생산과 맞물려 핵심 기술로 기대받고 있습니다. 
• 단점 : 사용 후 핵연료의 부피가 크고, 원자로 용기가 두껍고, 초고온에도 버틸 수 있는 소재 문제가 있습니다. 

 

용융염로(MSR, Molten Salt Reactor) 

1차 냉각 계통으로 용융염을 사용하는 원자로입니다. 용융염의 낮은 증기압, 소듐보다 낮은 반응성이 특징입니다. 고열을 뽑아낼 수 있어서 높은 열효율을 보여줍니다. 연료를 녹여 냉각제에 바로 집어넣을 수 있는데, 이렇게 함으로써, 원자로 구조를 간소화할 수 있습니다. 

• 장점 : 핵연료와 냉각재가 일체화되어 냉각재 상실사고가 발생하지 않을 수 있습니다. 외부로 누설되어도 즉시 고체화 되어 방사능 유출 차단이 가능합니다. 사용 후 핵연료에서 얻은 우라늄도 재사용이 가능해서 폐기물 양을 줄일 수 있습니다. 
• 단점 : 용융염의 강한 부식성과 높은 열을 견딜 수 있는 내열, 내식 재료가 필요한 단점이 있습니다. 

 

납냉각고속로(LFR, Lead-cooled Fast Reactor)

냉각재로 납 혹은 납 합금 등을 사용하는 액체 금속냉각로 입니다. 과열증기 사이클(super heated steam cycle) 또는 초임계압 CO2 브레이튼 사이클을 이용하며, 180 기압(과열증기 사이클)의 고압 또는 20 기압(브레이튼 사이클)에서 운전될 수 있습니다. 

• 장점 : 다목적 에너지원으로 사용 가능합니다. 
• 단점 : 납은 불투명하여 납 속에 있는 핵연료를 교체하는 것은 매우 어렵습니다. 또 납의 밀도가 매우 높아, 부력을 추가로 고려해야 합니다.  

 

가스냉각고속로(GFR, Gas-cooled Fast Reactor)

헬륨(He) 가스를 냉각재로 사용합니다. 냉각재 상실사고 시 잔열제거기술, 핵연료 관련기술, 기기 및 시스템 기술 등이 연구개발 핵심대상입니다. 

 

초임계압수냉각로(SCWR, Supercritical-water-cooled Reactor)

열역학적으로 초임계 상태(임계점 이상)의 물을 냉각재로 사용하는 원자로입니다. 초임계 상태에서는 상변화가 되지 않으므로 효율이 우수해집니다. 초임계수로 직접 터빈을 돌리는 원자로로 비등경수로(BWR)와 비슷합니다. 초임계수로 터빈을 돌리면 열효율이 매우 우수해집니다. 화석연료발전소에서도 많이 적용된 경험이 있습니다. 

 

 

이상으로 제4세대 원자로에 대해 알아보았습니다. 각각의 원자로는 모두 우수한 장점을 가지고 4세대 원자로에 선정되었습니다. 다만 아직 소재 문제 혹은 안정성 문제 등이 추가 해결되어야 합니다. 다음 세대에는 더욱 훌륭한 기술로 안전하고 신뢰성 있는 원자력발전소가 건설되기를 기대해 봅니다.