[원자력] 발전 원리, 발전 현황, SMR 종류 등

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◆ 원자력 발전 원리

 

-원자력 분열 시 2~3개 중성자와 열에너지 방출되며 이를 활용해 스팀터빈을 돌려 전기 생산. 우라늄 1g분열로 석탄 3톤 연소열 발생 가능

-강한 열에너지가 방출되기 때문에 25cm 두꺼운 원자로, 온도를 낮출 수 있는 냉각제, 중성자의 속도를 제어할 감속재 필요

-냉각제와 감속재의 종류에 따라 노형 구분: 수냉식, 가스로, 액체금속로

-일반적으로 원자로를 중심으로 1차 계통, 터빈, 증기발생기 등을 포함해 2차 계통, 그 외 안전설비, 송배전, 계측제어 등 보조 계통으로 구분

 

 

 

◆ 원자력 발전 현황

-전세계 원전 총 443기 운영 중. 지역별로 유럽 41%, 아시아 32%, 북미 25%, 국가별로는 미국 93기, 프랑스 56기, 중국 50기 순. 한국은 24기 운영

-타입별로는 가압경수로(PWR)이 302기로 대부분을 차지하고 있으며, 가압중수로(PHWR) 49기, 비등수형(BWR) 63기 등이 있음

 

 

 

◆ SMR(소형 모듈화 원자로)

 

-SMR은 원자로 또는 일차계통을 포함한 전체 원자로 시스템을 공장에서 모듈 형태로 제작한 후 건설 현장으로 이송하여 설치하는 300MW 이하의 원전

-총 71개 모델 개발 중. 국가별로 미국 17, 러시아 17, 일본 7, 중국 8기 등

-이 중 40개는 컨셉만 있는 초기 단계이며 5기는 기본설계 단계

-미국 NuScale의 경수로 방식이 NRC 인증을 받고 2022년 파일럿 프로젝트 착공, 2026년 인허가 목표

-한수원의 혁신형 원자로는 기존 SMART를 더 작고 더 안전하고 더 효율적으로 만들겠다는 것인데 이름만 혁신형이라 칭한 것이며 SMART와 원리 동일

-안정성, 폐기물 최소화, 핵환산 저항성 및 사회 수용성을 해결하고 경제성과 신뢰성이 확보되는 원자로로 정의

-비상냉각장치나 비상전원이 작동하지 않아도 붕괴 잔열을 자연스럽게 외부 방출하도록 구현 가능. 증기발생기 등 1차측 기기들을 원자로 용기 내부에 배치하여 대형원전의 배관파단 사고 발생가능성 등을 제거하는 것이 특징

 

 

 

◆ 원전 종류

 

-수냉각형: 물을 냉각재와 감속재로 사용하는 원자로이며 기존 대형 원전 타입

-4세대 SMR: 소듐냉각로, 납냉각로, 가스냉각로, 고온가스냉각로, 요융염냉각로 등이 개발 중

 

 

 

◇ 소듐냉각고속로 (SFR, Sodium-cooled Fast Reactor)

-냉각재로 액체 소듐(Na) 사용, 고속 중성자 핵분열 반응으로 발생한 열에너지 사용. 경수로에 비해 10~50% 핵분열성 높음

-5~10mm 직경 피복관에 펠렛, 핵연료심 형태로 연료봉 방전하며 와이어로 감음. 감속재가 없으며 육각형 형상의 덕트로 감싸는 것이 특징

-소듐-물 반응 완화를 위한 중간열전달계통, 압력완화계통 존재. 냉각재펌프, 열교환기 위치에 따라 대용량 Pool형(외부)과 Loop(내부)으로 구분되며, 대부분 Pool 형태로 개발 중. 액체 소듐의 반응성 때문에 격납용기 사이에는 불활성가스로 충전

-온도 500~600도, 40% 이상의 열효율, 150~200기압 고압에서 운전

-미국은 2020년 초까지 NRC 허가 목표. TerraPower, Oklo, GE, ARC 등 민간기업 주도로 개발. 일본, 러시아도 개발에 성국했으며 프랑스는 보류

-TerraPower원자로는 350MW급 소듐냉각고속로이며 고온의 열을 저장할 수 있는 용융염 에너지 저장 설비가 포함되어 최대 5시간 동안 발전량을 500MW까지 높일 수 있음 

 

 

 

◇ 용융염로 (MSR, Molten Salt Reactor)

-냉각재로 불소, 염소 화합물의 용융염을 사용하는 원자로이며 아직 상용화 되지는 못함. 핵연료 물질인 토륨, 우라늄, 플루토늄 등이 반응 후 염을 형성하고 냉각재 용융염 속에 공융 →노심용융 원인의 냉각재 상실사고를 예방가능

-초고온가스로의 연료 및 노심구조를 이용하고 헬륨 냉각재를 용융염으로 대체한 원자로 개념으로 확장 중

-고체연료는 피복관 성능한계로 일정 기간 연소 후에 새로운 피복관 교체가 필수적임. 이때 핵연료물질 재순환이 필요한데 용융염은 액체 상태 연료를 사용하므로 재순환 연로의 원격 제조가 필요 없으며 사용후 핵연료 개념도 없음

-핵분열 생성물이 운전 중에 제거되어 원자로 정지 시 잔열도 고체에 비해 절반 정도 줄어듦

-고체 연료는 핵연료 용융이 중대사고 시발점으로 간주되는데 용융염로는 이미 용융된 상태이므로 중대사고 시나리오 정립이 필요함. 원자로 출력 변화를 냉각재 온도와 농축도만으로 조정

-중대사고 시 액체 연료를 고체 상태로 변하게 하고, 노심 바닥의 결빙 밸브는 원자로 정지 시 밸브를 개방하고 사고 시 배출저장탱크에 방출하여 사고 대처

 

 

 

 

 

 

 

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

-경수, 중수 냉각재는 온도를 높이기 위해 높은 압력 필요. 가스를 냉각재로 사용하여 높은 온도를 유지해 효율성을 높인 원자로. 냉각재로 헬륨, 감속재로 흑연 사용. 흑연은 2,200도에서도 안전성 유지하며 열전도도 우수

-운전 온도는 900도 이상으로 높으며 황, 요오드를 활용해 물이 수소와 산소로 분해되도록 해 수소를 생산할 수도 있음. 일반적인 전기 수전해가 아닌 열을 활용한 수소 생산 용이

-직경 1mm 피복핵연료입자를 활용하며 구조상 누설이 적어 안전성이 높고 능동시스템 개입 없이 안전성 확보 가능

-헬륨을 냉각재로 사용해 화학적 반을을 하지 않으며 재료의 부식이 없어 물을 냉각제로 사용할 때 물-금속 반응으로 인한 수소 배출이 없음

-900도 이상 환경에서 플랜트 하중을 견딜 수 있는 소재 확보 필요

-초고온에서 작동 시 장시간 가동에 따른 성능, 건전성 확보 필요

-일본은 1970년 개발 착수, 1998년부터 30MW 급 실험로 운영. 2010년 950도 초고온에서 50일간 운전 성공. 미국은 DOE 지원으로 X-energy가 100MW급 고온가스로 개념설계 진행 중이며, 담수, 수소 생산 등에 활용

-중국 1970년 연구개발 시작, 2000년 검증시험 성공, 한국은 350MW급 계통개념연구 수행 수준

 

 

 

◇ 납냉각고속로 (LFR, Lead-cooled Fast Reactor)

-냉각재로 납, 비스무스 합금을 사용하고 중성자에 의한 핵분열로 열에너지를 일으키는 원자로. 구소련의 잠수함 동력원으로 개발

-피복관으로 실리콘 합금, 티타늄 강화철, 부식 저항성 재료 코팅 피복관 등 개발. 부식방지가 가장 중요한 기술. 소듐원자로와 마찬가지로 육각형 형태의 핵연료집합체를 사용하며 덕트로 감싸거나 와이어로드, 그리드로 핵연료봉을 구속

-납냉각 환경에서 제어봉 밀도는 납의 20% 수준에 불과해 물리적 힘을 이용해 강제로 노심 삽입, 인출. 납이 공기 중에 노출되면 산회되므로 Reactor head를 덮은 상태로 원격으로 조정

 

 

 

◇ HPR (Heat Pipe Reactor)

-1962년 NASA 우주선 내부열 공급을 위해 개발되었으며, 히트파이프 용기 내부는 진공이며 증발, 응축부에서 중력 등에 의해 다시 순환되는 방식

-고체 노심 냉각홀에 히트파이프를 설치해 열을 전력계통으로 전달

-크기가 작고 무게가 가벼우며 외부 전력 공급이 필요 없고 기계적 구동부가 없어 고장확률이 낮음. 원자로에 고압계통이 존재하지 않으므로 감압사고나 냉각재상실사고가 일어나지 않음

-예산문제로 1990년 연구가 중단되었으나 2018년 소듐 히트파이프 원자로 실증에 성공하였고 우주 원자로 기술을 선도하고 있음

 

 

 

 

 

 

◇ 가스냉각고속로 (GFR, Gas-cooled Fast Reactor)

-냉각재로 헬륨, 수증기, 공기, 이산화탄소 사용이 검토되었으나, 헬륨을 제외하고는 모두 탈락

-소듐냉각고속로 대안으로 개발되어 대부분 설비를 SFR과 공유 가능. 또한 헬륨가스를 사용하는 특성상 VHTR과도 열, 동력 계통 공유

-실험로 완공 사례가 없어 상용화까지는 시간이 많이 소요될 전망

-VHTR은 흑연을 활용해 붕괴열을 잠열로 흡수 가능하나, GFR은 열완층 구조물이 없음. 피동잔열제거를 위한 피복관 소재의 안전성, 강도가 핵심

-운전온도가 850도로 높고 열효율이 40% 이상임

 

 

 

◇ 초임계압수냉각로 (SCWR, Supercritical-water-cooled Reactor)

-냉각재로 경수, 감속재로 경수 or 중수 사용. 물에 압력을 가해 상변화가 발생하는 임계점에서 밀도만 떨어뜨리고 상을 유지해 초임계압 유지

-원자로와 터빈이 단일 Loop로 연결되며 증기발생기, 습분분리기, 증기건조기, 펌프 등이 없음. 핵연료 피복관 부식, 냉각 성능 검증 등 필요

-미국 Westinghouse, GE 등에서 연구했으나 상용화되지는 못함

 

 

 

◆ 파이로프로세싱 [사용후 핵연료 관리 기술]

-사용후 핵연료에는 연소되지 않은 우라늄이 93%, 플로투늄 1.2%, 미량의 핵물질 0.2%, 요오드, 테크네슘 0.1%, 세슘, 스트론튬 0.5% 함유. 핵연료 중의 약 1.4% TRU(Transuranium, 초우라늄)과 연소되지 않은 93% 우라늄을 회수해 에너지자원으로 활용한다는 컨셉. 고온(500~650)의 용융염에서 전기화학적 방법으로 금속물질을 회수하는 기술로 전처리, 전해환원, 전해정련, 전해제련, 폐기물처리로 구성

-고준위폐기물양을 1/20으로 최소화하고 장수명 방사성 물질을 단수명 물질로 변환하기 위해 개발. KAERI는 시뮬레이션을 통해 TRU 함량이 50%까지 높아질 시 2083년까지 사용후 핵연료를 99% 소각 가능하다고 밝힘. 독성 감소 기간이 기존 10만년에서 5천년 수준으로 짧아짐

 

 

 

◆ SMR 낮은 경제성

-원전은 건설비가 초기에 집중적으로 투입되어야 하고 발전원가에서 차지하는 비중도 가장 커 경제성을 좌우하는 가장 중요한 요인

-대형원전은 건설과정에서 주기기 운송, 설치, 안전검사, 인허가 등의 절차를 필요하지만 SMR은 모듈화를 통해 이 과정을 단축시키고 그 시간과 비용을 절감한다는 것. 모듈을 반복적으로 제작하여 학습효과 발생해 비용 절감 목표

-그러나 NuScale도 2003년 35MW으로 시작해 현재 60MW까지 용량 확대, Scale-up 없이 기술혁신만으로 경제성을 갖기 어렵다는 것을 의미

-SMR의 상용화, 학습률을 높이기 위해서는 초기 시점부터 충분한 수주물량이 미리 확보되거나 적절한 시기에 수주가 이어져야 함. 

-최초 호기를 유치하기 보다는 이미 성공적인 건설/운영 경험이 있는 노형을 유치하려 하는 원자력의 특성상 기술개발 완료 및 상용화와 동시에 시장에 빠른 속도로 확산되기는 어려울 전망 →요르단도 SMR 대신 대형원전 선택

-모듈제작공장에서 인허가를 획득할 수 있느냐? SMR이 수출되는 경우에는 두 국가간에 공통의 인허가 기관이 존재하지 않는 이상 문제는 더 까다롭고 복잡해 질 수 밖에 없음. 한수원에 의하면 혁신형 SMR의 목표는 수출.

 

 

 

◆ SMR 안전 이슈와 경직성

-4세대 SMR로 개발되고 있는 원자로는 소듐냉각로, 납냉각로, 가스냉각로, 고온가스냉각로, 용융염냉각로 등으로 마이크로소프트의 빌게이츠가 설립한 테라파워는 소듐냉각로를 바탕으로 한 원자로

-과거 역사적으로 비경수로형, 특히 소늄냉각로의 화재, 누출사고가 빈번했던만큼 기술 검증에 많은 시간이 소요될 전망. 특히, 소듐-물 반응사고는 대체설비로 영향을 완화할 수 있겠지만, 이에 따른 원자로 정지 및 정비는 경제성을 떨어뜨리는 요인으로 작용할 수 있음

-원전은 핵분열로 인해 출력을 자유롭게 조정할 수 없다는 단점이 있음

-중앙급전발전소가 아닌 재생에너지 설비가 늘어날수록 계통에 먼저 인입되기 때문에 기존 원전 입장에서는 수요가 차감되는 효과 발생. 이럴경우 최저수요가 원전 용량을 하회하는 선에서 형성될 수 있음

-또한 재생에너지의 간헐적인 변동성과 궁합이 잘 맞지 않아 수요를 초과하는 전력공급, 계통비용 유발되어 운영 관점에서 효율성이 떨어질 수 있음

 

 

 

 

 

 

◆ SMR에 대한 결론 [사라지는 탄소 기저발전을 일부 대체하는 수단]

-적정 예비율이 확보되지 않으면 전력계통 블랙아웃이 발생할 수 있음

-우리는 캘리포니아 사태를 통해 날씨, 기온 등 외생변수에 의한 리스크로 가스발전소, 재생만으로는 완벽한 안정성 확보가 어렵다는 것을 확인했음

-물론 재생에너지의 변동성이 크기 때문에 경직성이 떨어지는 원전과 궁합이 맞지 않는 것은 부인할 수 없는 사실. 하지만 적정 예비율 확보 필요성과 이용률이 떨어지고 변동성이 큰 재생에너지의 본질적인 특성 때문에 30% 수준의 기저 발전소가 필요한 것도 사실임. 석탄발전소가 모두 사라질 경우 이를 재생으로 모두 대체하기 어렵기 때문

-정부의 온실가스 감축 목표는 2030년 BAU 대비 37% 감축

-노후석탄발전소 폐지, 석탄 총량제, 탄소세 도입, 미세먼지저감 특별대책 등으로 석탄 발전소의 이용률은 50% 수준에 머물 전망. 이를 반영하고 RE3020을 달성한다고 가정해도 정부의 탄소감축 목표는 공격적이긴 함

-그러므로 사라지는 석탄발전소를 대체할 하나의 옵션, 우주개발, 잠수함 등 다양한 용도로 SMR R&D가 지속되어야 하는 것은 맞음. 그러나 발전용으로 상용화를 위해서는 앞서 지적했던 문제들이 모두 해결디어야 할 것

-즉, SMR은 중장기 연구개발을 지속하며 기존 원전의 수명연장 등을 위한 명분 제공의 카드로 활용될 것