스마트(SMART) 원자로와 미래 원전 기술, 토륨 원전, 소형모듈원전

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스마트(SMART) 원자로와 미래 원전 기술, 토륨 원전, 소형모듈원전

달타냥
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  스마트(SMART) 원자로

1. 개 요

스마트(SMART) 원자로는 한국이 러시아 OKBM사로부터 핵잠수함용 원자로 기술을 도입하여 중.소형 원전(System-integrated Modular Advanced Reactor)용으로 자체 개발한 다목적 원자로이다. 기존의 1000MW 상용 분리형 가압경수로와는 달리 가압기와 기수 분리기,냉각수펌프가 원자로(Reactor) 내부에 일체형으로 구성되어 있는 것이 특징이다.

 

, 1차 계통을 구성하는 일체형 원자로 내부에 핵연료 및 노심, 12대의 증발기, 1대의 가압기, 4대의 냉각수펌프가 원자로 내부에 설치된다. 2차 계통으로 터빈, 복수기, 급수가열기, 탈기기, 급수펌프, 복수기 펌프로서 기존의 상용 원전과 유사한 계통으로 구성된다. 원자로 크기는 길이 10.6미터, 직경 4.6미터 크기이며, 원자로 평균 벽체 두께는 265mm, 설계압력은 17Mpa이다.

 

2. 스마트 원자로의 열출력

총 열출력은 기존 상용 1000Mw1/10 수준으로 한국에서 개발한 모델은 330Mw를 스마트 원자로라고 불리며, 여기에 실증용(Pilot)으로 개발한 원자로는 총 열출력이 65 Mw이며 이것은 SMART-P라고 불리운다.

스마트 원자로 전체 열출력의 80% 수준은 해수 담수화용으로 사용이 가능하고, 나머지는 전력을 생산하여 인구 10만명의 중소 도시에 적합하게 설계되어 중동지역과 같은 물이 부족한 국가에서 전력과 해수 담수화가 가능한 다 목적용으로 개발한 신형 원자로이다.

 

3. 스마트 원자로의 주요 개발 계획

한국형 스마트 원자로의 개발은 1999년도 한국원자력연구소에서 개발하여 현재까지 수 천억의 예산을 투입하여 개발하고 있으며, 2007년도에는 경제성의 문제로 한 때 좌초 위기를 맞기도 하였다. 2010년 당시 계획하였던 스마트 원자로의 시험 가동 일정은 다음과 같았다.

 

1) 2016-SMART-P (65mw) 시험 가동

2) 2017-SMART (330Mw) 시험 가동

3) 2018-KSS-III 핵잠수함 1번 진수

 

 

4. 세계 원전의 기술 개발 방향

스마트 원자로의 기술 원천은 러시아 핵잠수함용 원자로라고 볼 수 있으며, 한국은 이것을 중소형으로 개발과 동시에 핵잠수함용으로 개발하는 것이 그 목적이다. 하지만, 세계 원전 시장의 미래는 열중성자로가 아닌, 이미 인도는 소듐냉각고속로의 상용화 단계에 접어 들었으며, 그 중에서도 인도는 이미 소듐냉각고속로 개발을 완료한 단계에 있다.

 

특히, 세계 원전 4 대 컨소시엄 중 3개사가 이미 일본이며(웨스팅하우스-도시바, GE-히다치, 아레바-미쓰비씨), 나머지 1, ASE사가 러시아 이다. 또한, 세계 원전 역사의 개발 기간이 5~7년으로 볼 때 한국의 스마트 원자로의 개발 기간과 세계 원전의 안전성 및 핵연료 재처리 기술과 차세대 고속원자로(핵연료 재처리 연료 사용)의 개발 추세 등을 비추어 본다면, 한국의 스마트 원자로의 기술 개발 실적을 과거 195712월 웨스팅 하우스사가 가압경수로를 개발하여 현재 한국의 고리 원전 1호기의 상업 운전(19784)이 되기까지는 20년이 걸렸으며, 그것도 원전의 원천기술을 보유한 선진국의 기술개발 기간이다.

 

사실 194212월 페르미가 핵분열 연쇄 반응을 발견한 이후 구 소련은 이것을 불과 12년만인 19546월에 5Mw 핵자수함용 원자로를 개발하였으며, GE사는 핵분열 연쇄 반응 발견 이후 불과 8년 만에 비등수형 원전을 개발하였다는 사실을 고려한다면 한국의 원전 개발 기간은 선진국의 미래형 원전 개발에 상당히 뒤쳐져 있는 상태이다.

 

 

1) 194212: 페르미() 핵분열 연쇄 반응 발견

2) 19501: GE사 비등수형 개발 완료(일본형 원전)

3) 19546: 러시아 세계 최초 핵잠수함용 가동(5Mw)

4) 195610: 영국 기체 냉각 원자로 시험 가동(60Mw)

5) 195712: 미국 웨스팅하우스사 가압 경수로 개발(한국형 원전)

6) 19623: 한국 연구용 원전 100kw 가동

7) 19784월 한국 고리 원전 1호기 가동 (웨스팅하우스사로부터 수입)-587mw

 

5. 소듐 냉각 고속로

원전의 핵 연료는 U235(농축우라늄, 경수로형), U238(천연우라늄, 중수로형)를 사용하는데 원료의 95%를 차지하는 U238은 기존의 열중성자로에서는 핵분열을 하지 않지만, 핵분열 과정에서 중성자로 인해 플로토늄 U239로 바뀐다. 이 플로토늄은 U235와 같이 핵분열을 하기 때문에 U238 천연우라늄을 원료로 해서 U239를 재 사용하는 것이 소듐냉각고속로 이다.

 

이 경우 U238이 핵분열하면 원자로 내부에서 U239가 지속적으로 발생하여 원전 72기를 60년간 운전이 가능하다. 천연 우라늄 U238에는 U2350.72% 밖에 함유되지 않아 2~5%로 농축시켜 사용하는데 이마져도 연소 효율이 4.8%에 불과하여 전체 효율은 0.6%에 불과하다. 하지만, 소듐냉각고속로는 천연우라늄 이용율를 76%까지 올릴 수 있다. 또한 기존의 U235의 재처리는 반감기가 10만년인데 반하여 소듐냉각고속로에서 재 활용하게 되면 그 반감기는 300년으로 줄어들게 된다.

 

 

6. 스마트 원자로의 미래와 경제성

1990년 후반부터 한국에서 독자적으로 스마트원자로(열중성자로) 개발을 시작할 때, 세계 원전의 개발 방향은 원전의 안전성과 핵연료의 재처리비용 및 사용 수명이 다한 원전의 폐기비용 등에 대한 미래에 부담해야 하는 간접비용을 고려하여 유럽 및 미국 등의 선진국등에서는 이미 원전 건설을 중단하거나, 일본, 인도에서는 고속로로 상용화 단계에 접어 들었다.

 

미국의 GE사와 웨스팅하우스, 유럽의 아레바(플라마툠)는 원전의 기술을 일본으로 넘겨주면서, 더 이상 독자적 원전 개발에서 손을 땐 상태이다. 더욱이 지난 1986년 소련의 체르노빌 원전 사고와 20113월 일본의 후쿠시마 원전 사고 이래, 원전에 대한 미래 불안감은 한층 더 가중되고 있기 때문에 세계 원전 시장은 결코 기대 만큼 크지 않을 것이라 판단된다.

 

한국의 스마트 원전 수출은 독자적 원천 기술이 부족한 상태에서 과연 스마트 원전 1기에 7000억이나 하는 비용을 부담하면서 기술을 개발할 가치가 있는가에 대해서는 아직도 의구심이 많은 상태이며, 오늘날 원전 수출은 핵연료 재처리 기술이 선행되지 않으면 원전 수출이 현실적으로 어렵다는 것과 원전폐기 기술과도 밀접한 상호 관계가 맞물려 있어 자치 국익보다는 일부 관료 집단의 이해 관계가 우선하게 된다면 국가로서는 큰 손실을 초래 할 수도 있다는 것을 강조하고 싶다.

 

출처 : 피이에스기술사사무소(http://www.pes21.com)





토륨 원전

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
   

토륨 원전은 우라늄이 아니라 토륨을 핵분열 연료로 사용하는 원자력 발전소를 말한다. 인도가 개발중인 AHWR이 대표적이다. 토륨은 우라늄보다 방사능 누출이 훨씬 적다.

토륨은 우라늄과 달리 자체적으로 핵분열을 일으키지 않아 연쇄반응이 나오지 않기 때문에, 원자로 스위치를 끌 경우 토륨은 핵분열을 자동으로 멈춘다. 따라서, 후쿠시마 원전 사고와 같이 냉각장치 고장으로 인한 사고가 발생하지 않는다.[1]


연료 순환[편집]

토륨 원전은 우라늄 원전과 같이 바로 우라늄 연료를 넣어서 사용하는 것이 아니다.

토륨 매장량[편집]

노벨물리학상 수상자인 카를로 루비아는 토륨 1톤이 우라늄 200톤, 석탄 350만톤에서 생산하는 전력과 같다고 말했다.[2] 토륨은 보다 흔한 금속이다. 매장량은 우라늄의 4배에 달한다.[1] 따라서 전체 전력생산량은 우라늄 보다 800배 많을 수 있다. 이미 알려진 토륨원소 비축량은 최소 1만 년 동안 지구에 에너지를 제공할 수 있을 정도이다.[3]

토륨은 전 세계적으로 골고루 분포되어 매장되어 있다. 호주 48만9천t(19%), 미국40만t(15%), 터키 34만 4000t(13%), 인도 31만 9000t(12%), 베네수엘라 30만t(12%), 브라질 30만t(12%), 노르웨이 13만 2000t(5%), 이집트 10만t(4%), 러시아 7만 5000t(3%), 그린란드 5만 4000t(2%) 정도 매장되어 있다고 알려져 있다.[4]

인도의 희토류 부존 자원은 모나자이트(토륨과 우라늄 원소를 함유하고 있는 방사성 광물) 기준으로 1070만 톤에 달한다. 이 중 75%가 해변 사광에서 추출돼 암석에서 채취하는 희토류보다 채산성이 높다.[5]

모나자이트는 방사성 원소인 토륨이 다량 함유돼 있어 방사능을 유출하며 태국말레이시아인도브라질오스트레일리아 등에서 대량으로 산출된다.[6]

개발국가[편집]

인도[편집]

인도는 2012년 최초의 AHWR을 착공하여, 이 원전을 해외에 수출할 계획이다. 개량형 중수로라고 부르며, 토륨 연료를 사용해 전력의 2/3를 생산한다.

인도는 50여년 전 "인도 원자력 개발의 아버지"인 호미 바바 박사가 제창한 독자적 3단계 개발 계획을 추진중이다. 인도는 우라늄이 부족한 반면 토륨이 풍부하기 때문에 1단계 중수로, 2단계 고속로, 3단계 개량형중수로(AHWR)를 개발해 "토륨 사이클" 확립을 목표로 하고 있다.[7]

인도가 토륨 원전을 개발하려는 이유는, 핵무기 보유국이면서도 핵무기비확산조약(NPT) 가입을 거부해, 핵공급그룹(NSG)이 핵기술과 핵물질의 수출을 30여년간 금지해왔기 때문이다.[8] 인도에는 우라늄은 없으나, 세계최대 매장량의 토륨을 갖고 있다.

미국[편집]

미국은 자국내에 우라늄 매장량은 매우 적어서 대부분을 수입하고 있다. 그러나 토륨은 미국내에 매우 많은 것으로 알려져 있다. 미국 정치인들과 국립연구소들이 토륨 원전을 개발하려고 한다.[9]






제2의 원자력 에너지              

우라늄보다 풍부하고 안전하며 폐기물이 나오지 않아 미래의 대안 에너지로 꼽히는 토륨 원전


우라늄(원자번호 92번)이 아닌 제2의 방사성 핵연료 ‘토륨(원자번호 90번)’을 쓰는 원전 개발이 한창이다. 우라늄보다 풍부하고 안전하며 폐기물이 나오지 않아 미래의 대안 에너지로 꼽힌다.


토륨 원전에 대한 의견은 전문가들 사이에서도 분분하다. 찬성하는 연구자들은 기존 우라늄 원전이 갖는 단점을 해결하기 위해 하루 빨리 상업화해야 한다고 주장한다. 호의적이지 않은 연구자들은 원료를 바꾸는 것이 완벽한 대안은 아니며 새로운 시스템의 우라늄 원전을 통해 기존 원전의 문제점을 얼마든지 해결할 수 있다고 주장한다. 하지만 정보가 부족한 경우가 많다. 원전에 관심을 갖고 있는 연구자일지라도 다른 연료로 원전이 가능하다는 사실은 모르는 경우가 많다.


하지만 토륨 원전은 이미 세계적인 관심사다. 인도는 토륨 원전을 10년 넘게 연구해 오다 작년 11월 발전소 건설을 공식적으로 선언했다. 중국 역시 건설을 서두르고 있고, 스리마일 사고 이후 원전 연구에 무관심했던 미국도 에너지부와 국립 연구소들이 주축이 돼 연구에 몰두하고 있다. 벨기에는 유럽연합(EU)과 공동으로 실험로를 운영하고 있다. 도대체 토륨원전은 무엇이며 어떤 장점이 있는 걸까.


스위스에 건설된 실험용 토륨 원전 PSI의 모습. 카를로 루비아 CERN 연구원이 제안한 ‘에너지 증폭기’가 가능함을 보였다.


‘타지 않는 불꽃’ 토륨

토륨은 원전 연구 초창기부터 연료 후보로 꼽혀왔던 물질이다. 지금까지 인류가 발견한 핵종(동위원소)은수없이 많지만인위적으로 만들어야만 하는 핵종이나 반감기가 너무 짧은 핵종을 제외하면 인류가 실제로 접할 수 있는 핵종 수는 393개에 불과하다.


이 가운데 전혀 핵분열을 일으키지 않는 안정핵종 255개를 제외하고, 반감기가 우주 나이보다 길어서 역시 핵분열을 유도하기 어려운 핵종들을 제외하고 나면, 원전에 이용할 수 있는 방사성 핵종 후보는 우라늄과 플루토늄 등 극히 일부밖에 남지 않는다.


토륨도 바로 이런 핵종 중 하나다. 바닷가 모래 등에 풍부하며, 매장량도 우라늄보다 4배 많다. 산출국이 한정된 우라늄에 비해 토륨은 세계 곳곳에 비교적 고르게 퍼져 있기도 하다.


하지만 토륨은 원전의 주인공 자리를 우라늄에 내줘야 했다. 한 가지 큰 단점이 있었기 때문이다. 우라늄은 적은 에너지로 스스로 핵분열을 일으킬 수 있고, 그 상태를 계속 유지할 수 있다. 하지만 토륨은 그렇지 않았다. 비유하자면 우라늄은 한 번 불만 지펴 주면 계속해서 활활 타오르는 불쏘시개와 같다. 반면 토륨은 불도 잘 안 붙고 잘 꺼진다. 연료로서는 매력이 떨어졌다. 당시 원전에 어떤 연료를 쓸지는 불 보듯 뻔했다.





미래 에너지 문제의 해결책으로 주목 받고 있는 토륨의 원석. <출처: (CC)Ahmet Arda atWikipedia.org>




토륨의 매장량. 원전에 주로 쓰는 우라늄-235는 전체 우라늄 중에서도 0.7%에 불과한 반면, 토륨은 원전에 쓰이는 토륨-232 형태로 100% 존재한다. <출처: IAEA/WNA(2007년 기준)>


우라늄은 그 자체가 핵분열성 물질로, 적당한 에너지의 중성자만 있으면 쉽게 핵분열을 일으킬 수 있다. 일단 핵분열을 시작하면 잘 멈추지 않는다. 그래서 우라늄 원전에서는 분열속도가 빨라지지 않게 섬세하게 조절한다. 이를 위해 연료 중간중간에 분열 속도를 늦추는 ‘제어봉’을 꽂는다. 제어봉에는 붕소가 들어 있는데, 우라늄의 핵분열을 시작하고 가속화시키는 입자(중성자)를 흡수해 전체적인 반응속도를 조절한다.


토륨은 반대다. 핵분열을 해도 만들어지는 중성자의 수가 연쇄반응을 일으키기에 부족하다. 따라서 분열이 꾸준히 이어지지 못하고 중단된다. 따라서 토륨 원전에서는 핵분열을 돕는 중성자를 따로 공급해 연쇄반응을 꾸준히 이끌어내는 일이 중요하다. 얼핏 단점으로 보이는 토륨의 이 현상이 최근 오히려 장점으로 관심을 받고 있다. 원전 안전성의 화두가 ‘사고 시 저절로 꺼지는 원전’이기 때문이다.

‘꺼지지 않는 불꽃’ 시대는 끝났다

‘잘 안 타는 불쏘시개이기 때문에 안전하다’는 주장은 얼핏 궤변 같다. ‘돌은 석탄처럼 탈 수 없기 때문에 산불을 낼 위험도 없다’는 것과 같은 논리로 들린다. 적어도 토륨을 ‘또 하나의 연료’로 논의하던 20세기 중반에는 토륨의 장점이 궤변으로 보였다. 당시에는 토륨을 효율적으로 이용할 방법을 알지 못했다. 따라서 활활 잘 타는 우라늄을 두고 굳이 잘 안 타는 토륨 원전을 개발할 이유가 없었다.

   




토륨 연료가 에너지가 되는 과정. 가속기에서 나온 중성자(n)가 토륨(Th)-232와 만나 Th-233이 된다. 이후 두 번의 붕괴를 거쳐 우라늄(U)-233이 된다. 추가로 중성자를 만나 핵분열을 통해 에너지를 만든다. 이 때 만들어진 중성자는 다시 재활용된다. 



하지만 1995년이 되자 이야기가 달라졌다. 입자인 W보손과 Z보손을 발견한 공로로 1984년 노벨 물리학상을 받은 이탈리아의 핵물리학자 카를로 루비아(Karlo Rubbia, 1934~)유럽입자물리연구소(CERN) 박사가 10년에 걸쳐 연구한 끝에 토륨 원전의 상용화 가능성을 밝혀냈기 때문이다.


토륨 원전에 이용하는 것은 원자가가 232인 토륨-232 동위원소다(자연계에 존재하는 토륨은 100% 토륨-232다). 이 원소가 중성자를 만나 결합하면 원자가가 233으로 증가한다(토륨-233). 토륨-233은 불안정한 핵종이기 때문에 22분만에 절반의 원소가 붕괴(중성자 하나가 양성자 하나로 변하는 베타 붕괴)돼 프로탁티늄-233이 된다. 프로탁티늄-233 역시 27일만에 절반의 원소가 붕괴돼 우라늄-233이 된다.


이렇게 해서 만들어진 우라늄-233은 현재 널리 쓰이는 우라늄-235처럼 비교적 에너지가 낮은 중성자와 충돌해도 핵분열을 일으킨다. 이 과정에서 핵분열 에너지와 함께 중성자가 발생한다. 에너지는 증기를 발생시켜 전기를 생산하는 데 쓰이고, 중성자는 다시 토륨-232 또는 우라늄-233과 충돌해 핵분열을 지속시키는 순환 과정을 거친다.


우라늄 원전은 핵분열 과정에서 발생하는 중성자의 수가 투입되는 중성자의 수보다 많아 계속해서 핵분열 연쇄반응을 일으킬 수 있다(이 상태를 ‘임계상태’라고 한다). 하지만 토륨은 핵분열 과정에서 만들어지는 중성자 수가 투입되는 중성자에 비해 적어서 절대 스스로는 연쇄반응을 일으킬 수 없다(미임계). 토륨 원전에 다른 추가 조치를 하지 않으면 핵분열반응은 자연스럽게 멈춘다.


따라서 토륨을 원전의 연료로 쓰려면 중성자 수를 보충해야 한다. 예를 들어 토륨과 함께 우라늄-235나 우라늄-238, 또는 플루토늄과 같은 초우라늄 핵종(우라늄보다 원자번호가 높은 핵종)을 일부 섞어서 이용하는 방법이 있다.

원전 아닌 ‘에너지 증폭기’

하지만 이 방식은 온전한 의미의 토륨 원전이라고 부르기 어렵다. 애초에 대체하려 했던 우라늄과 초우라늄 핵종에 다시 의존하는 방식이기 때문이다.루비아 교수는 색다른 방식을 제안했다. 원전에 선형가속기를 도입한 형태다. 가속기를 이용해 고속으로 가속시킨 양성자를 납이나 텅스텐에 충돌시켜 다량의 중성자를 만든다. 이 중성자를 토륨과 충돌시켜 핵분열을 일으킨다. 루비아 교수는 가속기를 도입한 이 토륨 원전이 우라늄 원전과는 근본 원리가 다르다며 원자로(reactor)라는 용어 대신 ‘에너지 증폭기(energy amplifier)’라는 용어를 제안했다.

   




우라늄 원전과 토륨 원전 공정 비교. 토륨 원전은 재료의 양이 적고 농축 과정이 필요없으며 폐기물 위험도 낮다.


모든 시스템이 그렇듯, 필요한 만큼의 출력을 내기 위해서는 적절한 설계 과정이 필요하다. 핵심은 다량의 중성자를 만드는 일이다. 홍승우 성균관대 물리학과 교수는 “0.8~1GeV 대의 출력을 얻어야 20~30개 정도의 중성자가 만들어져 연쇄반응이 안정적으로 일어난다”고 말했다. 홍 교수는 “루비아 교수는 우라늄 원전 못지 않게 안정적인 토륨 원전이 가능하다는 사실을 이론적으로 밝혔다”며, “하지만 처음 제안한 1995년만 해도 이런 원전 시스템을 만들 수 없어서 상업화까지 나아가지 못 했다”고 말했다.


루비아 교수의 주장은 2005년 스위스에 0.6GeV대의 실험용 원전 PSI가 만들어지면서 사실상 검증이 됐다. PSI는 약 1MW(메가와트. 전력의 단위로, 한국 표준형 원전은 1000MW의 전력을 만들 수 있다) 정도의 전력을 낸다.


홍 교수는 “루비아 교수는 투입 중성자와 발생 중성자의 비를 1:0.99 정도로 맞추면 임계에 이르지 않고 효율적으로 토륨 원전을 운영할 수 있다고 주장한다”고 말했다. 하지만 0.99는 거의 임계에 가깝다. 안전성을 위해 효율성을 낮춘 0.98과 이보다 더 낮춘 0.96 중 어느 쪽이 나을지 세계 곳곳에서 연구와 논의가 진행 중이다.


새로운 토륨 원전에는 여러 장점이 있다. 먼저 고준위 핵폐기물 문제가 해결된다. 기존의 우라늄 원전에서 핵폐기물이 문제가 되는 것은 우라늄-235와 우라늄-238 중 235만을 태울 수 있기 때문이다. 자연 우라늄에서 우라늄-235는 전체의 0.7%에 불과하고 나머지 대부분은 238이다.


 따라서 우라늄 농축과정을 거쳐 235의 비율을 3~5%로 높여 쓰지만 여전히 238의 비율이 높다. 문제는 에너지가 높은 중성자(고속 중성자)를 이용하는 최근의 고속로가 아닌 이상 우라늄-238을 핵분열시킬 수 없다는 점이다. 이들은 고스란히 폐기물이 된다. 핵분열 결과로 만들어지는 플루토늄과 넵튬, 아메리슘, 퀴륨 등 화학독성이 강한 초우라늄 방사성 핵종들도 타지 않고 남는다.


반면 토륨은 100% 연료로 이용 가능한 핵종(토륨-232)을 이용하는데다, 에너지 증폭기가 고속로 시스템이기 때문에 초우라늄 핵종까지 태워 없앨 수 있다(정확히는 독성이 낮은 핵종으로 바뀌는 과정으로, ‘핵변환’이라고 부른다).


그래서 초우라늄 핵종이 크게 줄어든다. 루비아 교수는 “토륨 원전 폐기물의 독성은 약 500~600년 정도면 광산에서 석탄을 캘 때와 비슷한 수준으로 떨어진다”고 밝히고 있다. 같은 기간 우라늄 원전(가압수형원자로) 폐기물의 독성은 2만 500배 높다. 우라늄 원전 폐기물의 독성이 토륨 폐기물과 같은 수준으로 떨어지려면 1만 년 이상의 시간이 필요하다.


또 한 가지 장점은 질 좋은 플루토늄이 생기지 않는다는 사실이다. 플루토늄은 핵무기 제조에 이용될 수 있다. 우라늄 원전은 폐기물에 다량의 플루토늄이 포함돼 있어 핵무기를 개발할 위험이 있다. 원전 개발 초기 단계에 선진국이 토륨이 아닌 우라늄을 선택한 배경에는 핵무기 개발 욕심도 자리잡고 있었다.

각국의 토륨 원전 개발 경쟁

루비아 박사 이후, 세계 각국은 토륨 원전 개발 경쟁에 뛰어들었다. 에너지 증폭기 연구도 있지만 기존 우라늄 원전을 개량한 원전, 즉 임계로에 연료만 토륨으로 바꾼 방식도 있다.


미국 에너지국은 오크리지국립연구소 등 산하 연구소와 함께 냉각재로 용융염을 사용하고 연료는 토륨을 사용하는 용융염원자로 개발에 한창이다.


중국은 이 방식을 개선한 ‘액체불소화토륨 원전’ 연구에 뛰어들었다. IAEA에 따르면 중국은 2011년 1월 세계 최대 규모의 연구 프로그램을 세워 이 분야를 선점하겠다는 의욕을 보이고 있다.


세계 4위의 토륨 산지인 인도는 기존 원전에 토륨을 반응시켜서 우라늄-233을 얻은 뒤 분리해 화학적으로 처리하고 다시 핵분열을 거치는 3단계 방식을 10년 이상 연구해 왔다. 하지만 홍 교수는 “최근 1~2년 사이에 가속기 기반 원전으로 방향을 바꿨다”고 말했다.


벨기에는 유럽연합(EU)과 공동으로 2009년 12월부터 기존 원자로에 선형가속기를 도입한 실험용 토륨 원전 ‘미라(MYRRHA)’를 건설하고 있다. 2014년까지 설계를 마치고 2019년 완공해 2023년 가동을 목표로 하고 있다. 이 방식은 원자로와 가속기 방식을 모두 실험할 수 있어 토륨 원전 상용화에 큰 전기를 마련할 전망이다.


한국은 2012년 현재 토륨 원전 개발 연구에 거의 참여하고 있지 않다. 2000년대 초반만 해도 한국원자력연구원에 가속기 연구팀이 있었지만 프랑스 등이 중심이 된 고속로 개발에 참여하면서 별도의 연구는 중단되었다. 학계 일부에서 에너지 증폭기 연구를 시도하고 있지만, 이러한 연구는 국가 단위의 전략적 사고를 갖고 접근해야 개발이 가능한 에너지 산업이기에 쉽지 않는 상황이다.




미국 오크리지국립연구소에서 연구하던 용융염방식의 토륨 시험원전 내부 모습.




가속기와 원자로 두 방식의 토륨 핵분열 실험이 가능한 벨기에의 실험로 ‘미라(MYRRHA)’의 구조.


물론 토륨 원전의 한계도 분명히 있다. 황일순 교수는 “가속기 방식도 양성자를 쏴서 중성자를 만드는 과정에서 반감기가 긴 방사성 핵종(장수명 핵종)이 생성된다”며 “대안으로 원자로 방식을 택하면 농축 우라늄이나 플루토늄을 섞어야 한다는 문제가 또 생긴다”고 말했다. 기존 우라늄 원전의 문제점을 개선한 차세대 우라늄 원전 연구도 많아 경쟁도 치열하다. 하지만 토륨 원전이 갖는 장점과 실현가능성 역시 무시하지 못할 만큼 크다




소형모듈원전

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소형모듈원전(Small modular reactor) 또는 SMR은 전기출력 300MWe급 소형 원자로를 말한다. 미국 핵잠수함과 항공모함에서 쓰던 원전이다.[1]

IAEA는 소형 원자로를 전기출력 300MWe급 이하라고 정의하나, 일반적인 의견은 전기출력 500MWe급 이하를 소형 원자로라고 정의한다.[2][3]

냉각장치[편집]

SMR과 스마트 원자로는 열출력이 같지만, 전력 공급이 끊겨도 공기를 이용해 원자로를 자연 냉각하는 SMR은 스마트 원자로보다 국제 경쟁력이 높다.[4] 따라서, SMR은 해안이 아닌 내륙에도 설치할 수 있다.

대한민국[편집]

2011년 3월 지식경제부는 7년간 민간과 함께 2,000억원 이상을 투자해 SMR을 개발하겠다고 밝혔다. IAEA는 2050년까지 전 세계에 중소형 원자로 1,000기가 건설될 것으로 예측한다. 3,500억 달러(약 368조원)에 이르는 시장 규모다.[4] SMR은 미국 핵잠수함 원자로이고, 스마트 원자로는 러시아 핵잠수함 원자로라서, 중복사업이 아닌가 하는 지적이 있다.

2011년 현재 대한민국은 열출력 65 MWt인 스마트 실증로를 건설계획중이다. 그러나 경쟁국들이 완제품을 이미 수출시장에 내놓고 있는 마당에, 한국에서는 경제성이 없어서 개발을 중단해야 한다는 등 논란이 많다.[5] 세계에서 가장 먼저 상용화될 것으로 보도되기도 하였으나,[6] 미국은 이미 시판에 들어갔다는 반대보도가 있다.

미국[편집]

SMR은 미국이 주도하고 있다. 국립 로스 알라모스 연구소는 폭 1.5m, 길이 2.5m의 열출력 70 MWt, 전기출력 25 MWe인 SMR을 개발했다. 미국 하이페리온 파워 제너레이션(Hyperion Power Generation)은 2010년부터 이 SMR을 2500만달러(약 289억원)에 판매하기 시작했다. HPM이라고 부른다. 이미 100여대 6년치를 주문받았다.[1] 오바마 정부는 2011년에만 10억달러를 투자하겠다고 밝혔다. 빌 게이츠도 투자하고 있다.

러시아[편집]



선박형 원자력 발전소


KLT-40S 소형원자로는 스마트 원자로를 한국에 기술이전한 OKBM의 제품이다. 가압수형 원자로이며, 농축도 90%의 우라늄 235를 연료로 사용한다. 열출력 135 MWt이며, 전기출력 35 MWe 이다. 러시아는 선박형 원자력 발전소를 수출할 계획이다. 개조된 KLT-40S 원자로 2개가 탑재된다. 열출력 300 MWt, 전기출력 70 MWe를 내며, 20만명의 도시에 전기공급을 할 수 있다.

핵잠수함에 전용우려[편집]

미국 원자력 추진 잠수함의 원자로인 SMR과 러시아 원자력 추진 잠수함의 원자로인 스마트 원자로가 타국에 수출될 경우, 그 나라의 원자력 추진 잠수함 건조에 이용될 수 있는가의 우려가 있을 수 있으나, 원자력 추진 잠수함용 원자로와 원자력 추진 잠수함 수출은 국제법 위반이 아니다. 원자력 추진 잠수함에 핵미사일을 탑재해 수출하면, 핵미사일수출 부분이 국제법 위반이 된다.

2009년 프랑스는 핵미사일 없는 원자력 추진 잠수함인 바라쿠다급 잠수함을 브라질에 수출했다. 공산권에서는 러시아가 핵보유국으로 알려져 있는 인도에 핵미사일 없는 원자력 추진 잠수함인 아쿨라급 잠수함을 리스해 준 적이 있었지만, 프랑스의 수출은 전 세계에서 비핵국가에 대한 최초의 원자력 추진 잠수함 수출이다. 국제규제는 없었다.


동급 소형 원자로[편집]


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