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1. 개요
增 殖 爐 / Breeder Reactor태운 것보다 더 많은 연료를 자체 생산하는 원자로이다. 다른 원자로들과 달리 우라늄 235보다 더 흔한 동위원소인 우라늄 238이나 토륨 232를 사용할 수 있다.
1951년 부터 연구가 시작되었을 정도로 역사가 길다. 원자력 초창기에는 경수로와 직접 경쟁을 했지만, 1960년대 말에 이르러서는 경수로에 밀려 상업화에 실패했다. 4세대 원자로 중 하나로 연구가 활발하다.
이름이 증식로인 이유는 연료를 태우면 태울수록 연료가 늘어나는 화수분 같은 구조에 있다. 이를 이용해 원자력 이용 가능 기간을 70년에서 3,600년으로 늘릴수 있다. 증식로에는 운동에너지가 높으면서 빠른 고속 중성자를 바로 이용하는 고속 증식로와 비교적 느린 열중성자를 이용하는 열증식로가 있지만 일반적으로 고속증식로가 주로 알려져 있다. 이 문서에서는 주로 고속증식로를 다룬다.
증식로의 기본적인 원리는 원래라면 핵연료가 아닌 물질에 중성자를 조사시켜 핵연료로 바꾸는 것을 골자로 한다. 대표적으로 U238이 중성자를 흡수하면 U239가 되고, 이것이 2번의 붕괴를 거치면서 U235 이상으로 중성자 단면적이 넓은 Pu239로 변한다. 즉 증식로에 일반적인 우라늄 원료를 집어넣으면 기존의 원자로에서는 일부 밖에 출력에 기여하지 못하는 U238이[1] 제대로 된 연료원으로 변한다는 소리다.
2. 열증식로
저속의 열중성자를 이용하는 열증식로 (Thermal Breeder Reactor, TBR)로 불리는 이 원자로는 토륨을 사용한다. 자세한 내용은 토륨 원자로 문서 참조.3. 고속증식로
고속중성자 (fast neutron/hard neutron) 를 사용해 플루토늄을 증식시키는 원자로. 일본의 몬주와 대한민국이 개발하고 있는 칼리머, 평화로가 이 형식의 원자로이다. 상업운전을 하고 있다(러시아의 BN-600, BN-800 등 BN 시리즈).Fast Breeder Reactor, FBR로 불리는 이 원자로는 일반적인 원자로에서 사용하는 우라늄 235는 운동에너지를 잃은 열중성자를 선호하기 때문에 중성자의 운동량을 나눠가져갈 감속재가 필요한 것에 반해, 증식로는 핵분열에서 튀어나올 때의 운동에너지를 그대로 갖고 있는 고속중성자를 우라늄 238에 조사하여 플루토늄을 증식하고, 이 플루토늄을 다시 태우는 구조를 갖고 있다. 여기서 헷갈리면 안될 것이 우라늄 238 또한 열중성자에 대한 중성자 단면적이 고속 중성자에 비해 넓다는 점이다. 하지만 우라늄 238이 열중성자와 반응하는 것은 오직 흡수하여 우라늄 239가 되는 것으로, 열중성자와 우라늄 238이 반응하여 핵분열할 가능성은 거의 존재하지 않는다고 봐도 된다. 그럼에도 불구하고 일반적인 열중성자 원자로에서 열중성자가 우라늄 238 대신 235와 반응하는 것은 이의 중성자 단면적이 우라늄 238과 비교하여 몇백 배 수준으로 훨씬 크기 때문이다. 실제로 우라늄 238 또한 반응하게 되는데, 이는 플루토늄 239의 생산으로 이어지고, 플루토늄 239는 우라늄 235 만큼이나 훌륭한 반응성을 지녔기 때문에 대부분 타서 분열한다.
반면 고속 중성자의 경우, 우라늄 235나 플루토늄 239의 반응성이 우라늄 238 수준으로 떨어지게 되는데, 여전히 우라늄 235의 반응성이 더 높지만 자연 우라늄의 대부분은 우라늄 238이기에 연료를 증식시키는데에 문제가 없다. 무엇보다 1MeV 이상의 에너지를 지닌 중성자의 대해 우라늄 238의 핵분열 중성자 단면적은 급격하게 상승하여 우라늄 238의 핵분열 또한 가능케 한다.
여기서 중요한 것은 낮은 중성자 단면적을 커버할 수 있는 수준으로 다량의 중성자를 생산하여 충분한 중성자 선속을 확보하는 것인데, 이는 플루토늄 239의 평균 중성자 배출량이 우라늄보다 높다는 것으로 해결한다. 이를 위해 보통 고속증식로의 연료는 높은 농축도의 플루토늄을 요한다.
고속로의 장점 중에 하나는 고속중성자는 웬만한 물질에는 잘 흡수되지 않으므로 원자로의 재료나 냉각재로 선택범위가 넓다. 예를 들어 경수로 등은 연료봉 피복재료로 열중성자를 잘 흡수하지 않는 지르코늄 등 특수한 재료를 써야하지만 고속중성자는 열중성자를 흡수하는 철이나 니켈도 쉽게 통과하므로 고속로는 스테인레스 등 고온에 견디는 다양한 고성능 재료를 쓸 수 있다. 냉각재도 감속재 역할을 할 필요가 없으므로 덜 까다롭고 다양한 선택이 가능하다. 다만 고속중성자는 흡수나 분열율인 낮으므로 우라늄238 등에 흡수되거나 분열하기 전에 거울의 방처럼 수없이 여러번 원자로내에서 돌아다녀야 하므로 원자로의 벽은 중성자를 잘 반사하는 텅스텐 등 중성자가 바깥으로 새어나가지 않는 재료를 써야 한다.
또 중성자를 흡수하여 분열하는 비율이 높고 다른 악티늄 원소로 변화되는 비율이 낮아서 비분열성 핵폐기물 생성비율이 낮아져 반감기가 긴 핵폐기물 생성문제가 완화된다.
3.1. 연료
연료로는 처음부터 플루토늄과 열화우라늄으로 만든 MOX(Mixed OXide)연료를 투입한다. 이 연료는 고속증식로에서만 사용하며 일반 원자로에서는 전 세계에서 일본의 후쿠시마 제1원전 3호기가 유일하게 MOX연료를 사용한다.[2] MOX연료는 녹는 온도가 더 낮기 때문에 안전 여유도를 축소시킨다. # 덤으로 일반 원자로에 MOX연료를 넣는 계획을 플루써멀 계획이라고 부르는데 순수하게 효율을 보고 한다기 보다는 핵연료 재활용 겸 플루토늄 처분이 목적이다. 후쿠시마 원자력 발전소 사고 때문에 원전의 안전성에 대한 우려가 커지면서 플루써멀 계획을 폐기하는 것도 검토되었으나 지속하는 것으로 결정되었다. 하지만 2020년 기준으로 해당 계획에 참가하는 원자로는 4기에 불과해서 목표치에 못 미치는 상황이고 원전이 있는 지자체의 반발이 심해서 이후 일본 정부는 해당 발전 방식을 도입하면 해당 지자체에 보조금을 지급하는 방법으로 이를 누그러뜨리려고 하고 있다.[3]현재는 우라늄연료의 가격이 폭락해 신품연료가 재처리비용보다 더 싸져서 이제 증식연구는 의미없다. 그래서 연료증식의 목적보다는 사용후핵연료(고준위핵폐기물)를 태워없애는 소각로 방향으로 연구되고 있다. 즉 사용후연료봉에 들어있는 잔류 우라늄235, 우라늄 238 등 열화우라늄, 플루토늄, 기타 초우라늄 원소들과 핵무기 해체시나오는 플루토늄을 희석시킨 것을 별도의 비싸고 위험한 재처리과정을 거치지 않고 최소한의 처리와 핵무기급 분열물질 추출 가능성 없이 처리해 연료로 사용하는 것에 중점을 둔다. 비분열성인 토륨을 분열성인 우라늄233으로 만들어 쓰면 토륨고속로가 된다.
3.2. 냉각방식
증식로는 연료 증식이 목적이기 때문에 중성자를 고속으로 유지시켜주는 냉각재를 사용해야 한다. 가장 보편적인 냉각재인 경수(순수한 물)나 중수는 중성자 감속재이므로 중성자가 빠르게 움직여 플루토늄을 만들어내도록 하는 고속증식로에는 적합치 않다.2011년 기준으로 모든 대규모 고속 증식로는 액체 금속 냉각 방식이다. 초기에는 수은이 냉각재로 사용되었으나 독성이 강하고 실내 온도에서도 증기압이 높으며 끓는점이 낮고 열을 받으면 유독한 증기를 배출하는 데다가 열전도율이 상대적으로 낮고 중성자 흡수 단면적이 커서 중성자를 잘 잡아먹으므로 사장되었다. 최초의 고속 중성자 증식로였던 클레멘타인(Clementine)이 이 냉각 방식을 사용했었다.
두 번째는 납이나 납- 비스무트 합금이 있다. 납은 중성자 흡수율이 낮고 반사가 잘 되는 특징이 있으며 감마선 차폐 능력이 뛰어나다. 또한 끓는 점이 높아서 원자로가 과열되어도 효과적으로 원자로를 냉각시킬 수 있어 안전을 보장해준다. 납-비스무트 합금은 납보다도 녹는 점이 더 낮아서 더욱 유리하며 나트륨이나 나트륨-칼륨 합금과는 달리 공기나 물과 반응하지 않아서 중간 냉각 회로를 만들 필요가 없어서 비용이 적게 든다. 그러나 원자로의 주 재료로 쓰이는 대다수 금속 자재와 일부 연료 혼합물을 부식시킨다. 또한 녹는점이 더 높기 때문에(납 : 327도 납-비스무트 : 123.5도) 원자로가 낮은 온도에서 작동하고 있는 경우 냉각재가 고체화되는 문제가 발생할 수 있다.
납-비스무트 합금 원자로 운영 시에는 폴로늄이 문제가 된다. 비스무트의 동위원소 중 가장 안정한 원소인 비스무트-209는 중성자 포획을 통해 베타 붕괴를 일으켜 폴로늄-210으로 변한다. 그리고 이 폴로늄-210이 중성자와 반응하면 폴로늄-209가 된다. 폴로늄-210은 반감기가 약 138일이며 폴로늄-209는 120년이다. 냉각재가 작동하는 온도에서 폴로늄은 휘발성이며 생성된 일부가 커버 가스(Cover gas, 냉각재와 공기와의 반응을 막기 위해 원자로 내에 채우는 가스. 아르곤을 주로 쓴다)에 에어로졸 형태로 섞이게 되는데 정상적인 운영 환경에서도 커버 가스가 조금씩 누출될 때도 위험한데 하루에 0.01%씩 발전소 중앙 시설로 누출된다고 할 때 허용 농도를 200배 초과하게 되는 폴로늄이 같이 나오게 되며 시설 운전자와 주변 환경에게 위험을 끼칠 수 있다. 순수하게 납만을 사용한다고 해도 이 폴로늄이 생성된다. 납-208이 중성자와 반응하여 납-209가 되어 베타 붕괴를 거쳐 비스무트-209에서 비스무트-210으로 변한 후에는 폴로늄-210이 된다. 단, 이 경우는 납-비스무트 합금보다는 생성되는 비율이 더 낮다.
또한 잔여방사능이 매우 크다. 납-비스무트 합금에서는 반감기가 매우 긴 비스무트-210(반감기 : 360만 년)과 비스무트-208(반감기 : 36만 5천 년)이 생성되며 납에서는 납-205(반감기 : 1510만 년)이 남아서 수백만 년간 방사능을 띠게 된다. 그리고 냉각재를 재활용하게 되면 잔여 방사능이 더욱 강해진다.
나트륨 대비 밀도가 10배 이상 높다보니 지진 발생시 원자로 시설에 엄청난 부하를 가해, 내진 설계가 극히 까다로워지는 것도 흠이다.
마지막으로 나트륨 또는 나트륨-칼륨 합금이 있다. 나트륨은 비열이 커서 냉각 효율이 뛰어나다. 또한 물과는 달리 중성자가 통과해도 에너지를 크게 잃지 않는다. 또한 끓는 점이 원자로 작동 온도보다 훨씬 높으므로 원자로를 여압 상태로 유지시킬 필요가 없다. 또한 납-비스무트 합금이나 납과는 달리 반감기가 매우 긴 방사능 물질이 생성되지 않는다. 운영 중에 발생하는 방사능 원소는 나트륨-24인데 반감기가 15시간밖에 안 돼서 짧다. 해체 후에는 나트륨-22(반감기 : 2.6년)이 남는데 이것보다 반감기가 긴 방사능 물질이 생성되지 않는다. 러시아에서 1999년에 내놓은 연구 자료를 보면 50년 동안 강한 중성자에 노출시켜도 나트륨-22 이상의 방사능 물질이 생성되지 않는다고 한다. 그리고 50년간 운전시킨 1기가와트 원자로에 쓴 나트륨 냉각재는 최대 50년까지만 저장해두면 산업용으로 쓰거나 자연으로 되돌려보낼 수 있다고 한다.
단점으로는 나트륨이 공기 및 물과 격렬하게 반응을 일으킨다는 점을 들 수 있다.[4] 또한 납과는 달리, 1차 계통의 방사성 나트륨이 2차 계통의 냉각수와 반응할 경우 큰일이 나기 때문에, 중간 열교환기 회로가 들어간 3중 루프 구성이 필수적이며 녹는점이 98도이기 때문에 계속 가열을 해주어야 한다(연료 재공급/수리시에는 150~200도까지 높여줘야 한다).
나트륨-칼륨 합금은 주로 실험용 원자로에서 많이 쓰인다. 녹는 점이 영하 11도라서 상온에서도 액체 상태이므로 자주 운전했다가 정지하는 실험용 원자로에 적합하다.
가스 냉각식 방식도 있으나 연구만 진행되었고 상용화된 것은 없다. 가스 냉각식은 주로 헬륨을 쓰며 중간 냉각 회로가 필요없고 화학 반응이 일어나지 않으며 방사능을 띠지 않아서 폐로 시 폐기물 처리 문제가 덜하다는 장점이 있다. 그러나 고압 상태를 유지시켜줘야 하고 냉각재 펌프도 고출력이 요구된다. 또한 강제 대류 기능이 손실되거나 파이프가 손상된 경우에는 붕괴 열 냉각이 심각한 문제가 된다. 또한 냉각 회로에서 가스가 누출되는 문제가 있으며 헬륨이 아닌 이산화탄소를 사용하는 경우에는 증식율이 낮다. 그리고 현재까지는 상업 규모로 운영한 경험이 전혀 없다.
나트륨과 같은 액체 금속 냉매는 성질상 몇 가지 사고 위험성을 안고 있고, 증기기관 이래로 많은 지식이 축적된 물과는 달리 걸음마 단계나 다름없었기 때문에 고속증식로의 냉각재 연구개발은 시행착오의 연속일 수밖에 없었다. 실제로 고속증식로에서 끊이지 않았던 크고 작은 원자력 사고는 대부분이 냉각재와 관련되어 발생하였다.
더구나 액체금속 냉각재의 특성은 시설의 무결성을 장담할 수 없게 되는 지진 등 재난이 발생했을 때 더욱 치명적이다. 단순히 냉각재가 누설되기만 해도 나트륨은 초대형 연쇄폭발을 일으킬 위험이 충분하다. 냉각 순환이 멈추거나 원자로 가동이 멎는다면 상온에서 고체로 어는 금속의 특성상 냉각계통이 전부 동결된다. 당장 어는점이 나트륨(98도), 납-비스무스(125도)다. 이 때문에 원자로를 가동하지 않을 때에도 일부러 난방을 해서 냉각재가 굳지 않도록 유지해야 한다. 즉 배관은 얼어서 막히는 동안 연료봉만 온도가 계속 올라가 멜트다운이 일어날 수 있다. 게다가 유사시 후쿠시마 원자력 발전소 사고에서 해수를 썼던 것 같은 대안적인 방법이 전혀 없어서 그런 사고에 대응하기가 더욱 어렵다. 덤으로 일단 이렇게 굳어버린 배관이나 냉각 장비는 재사용이 불가능하므로 사건이 마무리되었다고 해도 그 자체가 방사능 덩어리인 거대한 폐기물이 발생하며 보수공사에 엄청난 시간과 돈이 든다.
그리고 냉각재로서의 성능도 문제이다. 나트륨이나 납 등 금속은 가압수 등 액체물에 비해 냉각성능이 크게 떨어진다. (무게 대비 또는 부피 대비 비열) 물은 극성분자라서 비열이 비상하게 크다. 즉 액체금속을 냉각재로 쓰면 물을 쓰는 경우보다 더 강력한 펌프로 더 빨리 순환시켜야 한다는 거다. 물에 근접하는 냉각성능을 가진 건 헬륨이나 냉각재로 쓰기 곤란한 수소 암모니아 폴리머 등 뿐이다. 나트륨이나 납의 냉각재로서 성능은 용융소금보다 나을게 없다. 굳이 금속 나트륨이나 납을 쓸 이유가 없다.
다만 위에 지적한 사고 위험성은 과장된 부분이 상당히 많으므로 주의해서 받아들여야 한다. 나트륨의 공기 중 자연 발화 위험성은 정작 연소 시의 열량이나 연소 속도 화염 정도는 일반 유류화재보다도 훨씬 작아서 의외로 위험도는 적다고 한다. # 또한 자연발화의 위험성이 큰 만큼이나 대응체제도 일찍이 개발되었다. 원리적으로 나트륨 냉각재계통은 냉각수가 고압으로 순환하는 가압수로와는 달리 대기압 조건에서 운전되므로 누출이 발생해도 냉각재가 폭발적으로 뿜어져 나오지 않고 서서히 흘러나오게 된다. 그리고 누출이 감지되었을 경우 해당 순환계통의 나트륨을 나트륨 저장조로 되돌리는 설비가 기본적으로 되어 있고 거기에 더해 산소접촉을 차단하기 위한 질소주입 설비와 연동되었다.
물과의 접촉 시 폭발 우려도 나트륨 자체의 폭발위험보다는 오히려 그 부산물로 발생하는 수소에 의한 수소폭발의 위험성이 크다. 그런데 사실 수소폭발은 이미 2~3세대 경수로 등에서도 피동수소제거계통 등의 대응책이 마련된 것으로 원자로에서 새삼스러운 위험은 아니며 미국의 EBR-II와 아래에 설명하는 러시아의 BN-600 등에서 20년 혹은 30년 동안 수십회의 나트륨-물 누출사건이 있었음에도 불구하고 사고 단계에까지 도달하지는 않고 운전이 가능했다. 심지어 사건사례를 조사하면 나트륨과 물이 접촉할 확률이 높은 열교환기에서 나트륨이 누출되었을 경우 그 즉시 대규모 폭발로 이어지기는 고사하고 소량씩 누출되는 나트륨을 센서가 감지할 수 없어서(...) 한참 동안 그 사실을 모르다가 누출량이 서서히 증가하다가 나트륨-물 반응에 의한 수소를 감지하기 위한 센서에 간신히 감지될 수준이 되어서야 발견되었다고. 즉 나트륨 누출이 대규모 폭발을 야기한다는 주장 자체가 도시전설에 가깝다.
결국 실제 나트륨 유출사건의 경우를 조사하면 대체로 사고 수준까지 발전하는 일 없이 보다 소규모의 일상적인 사건 수준에서 대응이 가능했다고 한다.
그리고 냉각계통 마비에 대한 우려도 과장되었다. 애초에 자연대류에 의한 피동잔열제거계통을 채택한 나트륨 고속증식로의 경우에는 연료봉에 잔열이 남아 있는 한 나트륨이 굳을 우려가 없고 반대로 나트륨이 동결될 상황인 것은 이미 연료봉의 잔열이 다 빠져나갔다는 의미이므로 멜트다운은 근본적으로 일어날 수 없는 일이다.
나트륨 냉각재가 굳으면서 배관이 파열되는 일 또한 일어날 수 없다. 보통 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 동절기 수도관 동파의 경우, 물은 얼면 부피가 오히려 더 커지는 특성이 있기 때문에 수도관에 높은 압력을 가하면서 동파를 일으키는 것이다. 나트륨은 얼면 밀도가 높아지는 원소이기에 오히려 부피가 줄어 동파가 불가능하다.
게다가 냉각재 상실이나 누출 등에 대비한 저장조의 경우 동결방지를 위한 예열 기능이 있어 동결 방지에 대한 기본적인 대책은 수립되어 있다.
무엇보다도 나트륨 냉각재에 대한 인류의 기술적 성숙도는 2015년 현재 누적 400 원자로-년 수준에 도달하고 있으며 나트륨 냉각재에 대한 지식 역시 그만큼 쌓인 상태이다. 나트륨-물 반응사건과 나트륨 누출사건의 경우 그동안 여러 실험로 및 실증로에서 수십차례 발생했던 사건이지만 멜트다운이나 폭발, 대규모 화재까지 번진 경우는 없으며 심지어는 러시아의 BN-600같이 냉각계통이 3중화 되어있는 사례에서는 한쪽의 열교환 계통에서 나트륨-물 반응사건이 터지자 쿨하게(...) 나트륨과 물을 배출시키고 질소가스를 주입하여 발열을 진압한 후 차기 정기정비 시기에 가서야 사건이 터진 열교환기를 교체했다고 한다.
비상시 해수주입을 할 수 없다는 문제점이 있지만 애초에 해수주입이라는 극단적 조치가 필요한 상황은 1차계통의 냉각재가 아예 상실되는 사고가 발생했을 경우 정도인데 나트륨 냉각재는 근본적으로 가압의 필요성이 없으므로 누출 역시 가압수로처럼 폭발적으로 진행되지는 않고 안전도가 높아 실험용 수준의 원자로에서 많이 쓰는 수조형 원자로 등을 사용하여 수조 내에 충분한 냉각재를 확보하면서 열용량을 동시에 확보하는 방향으로 나아가고 있다.
3.3. 고속증식로 연구의 퇴조
'위험하지만 얻을 수 있는 급부가 커보이는' 고속반응로의 특성은 일견 환상적으로 보여 미국·구소련·프랑스·영국·러시아 등 내로라 하는 원자력 강대국들은 모두 한때 상당한 규모로 고속반응로에 투자했었다. 가장 대표적인 예는 구소련의 알파급 잠수함이다. 어뢰가 쫓아갈 수 없을 정도로 빠른 잠수함은 서방 국가에 큰 충격을 주었었다.미국의 경우에도 시울프[5]에 써먹었다가 과열기가 자주 터지는 문제가 있었다. 그래서 결국 시울프의 원자로를 경수로로 갈아버렸다.[6]
더구나 시대가 변하면서 군사적인 상황과 경제적인 사정까지 달라졌다. 군사적으로는 냉전이 끝나고 핵무기를 감축하는 분위기가 되면서 추가 플루토늄을 생산하는 것보다 기존의 잉여 플루토늄을 처리하는 것이 더 큰 과제가 되었다. 또 경제면에서는, 어차피 핵연료 자체가 극히 에너지밀도가 높기 때문에 전력 생산비용에서 핵연료 가격이 차지하는 비중이 높지 않아서, 결국 원자력의 경제성은 연료의 가격을 따지기보다는 설치비용을 낮추고 설비이용률을 높이는 쪽으로, 그리고 논란의 여지가 있지만 원자로의 수명을 연장하는 쪽으로 바뀌었다. 핵심시설인 원자로는 막대한 비용을 들여 튼튼하게 짓기 때문에 수명이 짧은 부속설비를 교체하면 수명을 연장해 운영이 가능하다. 그렇게 되면 가장 큰 원가인 원자로의 감가상각은 이미 끝난 상태이므로 매우 저렴하게 전기를 생산할 수 있다. 하지만 노후시설의 수명평가 등이 제대로 이루어지지 않으면 큰 사고를 초래할 위험도 존재한다. 한국에서는 고리 원자력 발전소의 수명연장이 논란이 되었다. 이렇게 되자 사용하는 핵연료보다 더 많은 연료를 생산해낸다는 고속증식로의 장점은 빛이 바래게 되었고 그보다는 안전설비를 위해 막대한 건설비가 들면서도 사고 위험성은 높다는 단점이 더 부각되었다.
현재 원자력 발전의 전반적인 퇴조로 우라늄 가격이 폭락해서 사용후 핵연료를 재처리를 하는 비용과 위험을 고려하면 재처리를 하는 비용보다 저농축 우라늄 연료를 새로 만들어 쓰는 가격이 훨씬 싸졌다. 이제 사용후 핵연료는 재처리로 연료를 생산할 수 있는 자원이라기 보다는 뒷처리가 어려운 애물단지일 뿐이다. 게다가 원천적으로 위험성이 크고 취급이 까다롭고 핵확산 위험이 큰 SFR 이나 LFR 은 현재 원자력 업계에서 유행하는 소형모듈러원자로와는 상성이 맞지않아 앞으로도 이의 실용화를 추진하는 원자력 기업은 거의 나타나고 있지 않다. 나트륨 화재 등 위험성이 높고 경수로보다 전력단가가 25%-50% 더 비싸다. 고속증식로의 기술적 어려움 보다는 이런 증식로의 경제적 메리트의 상실이 고속증식로 연구나 실용화가 사실상 중단된 가장 큰 이유이다.
결국 고속증식로에 매진했던 강대국들은 한때 전부 고속증식로를 포기한적도있다. 미국과 영국은 물론 상업운전 단계까지 이르렀던 프랑스(전력생산의 80%를 원자력에 의존하는 나라로 자기네 나라의 값싼 전기를 타국에 팔아먹기도 한다)조차 사고가 거듭되자 정권이 바뀌며 고속반응로를 접어버렸다. 학문적 혹은 기술탐색적 차원에서 고속반응로의 운용은 소규모로 여러 나라에서 계속되고 있지만 예전과 같은 추진력은 없다. 한국에서도 일단 위에 언급한 칼리머(나트륨 냉각), 평화로(PEACER : 납-비스무트 냉각) 등을 구상하고 있지만 여전히 연구단계... 그나마 러시아 잠수함용으로 실용화된 납-비스뮤트 원자로도 낮은 안정성, 높은 가격과 유지비로 전부 퇴역당했다.
현재는 고속증식로의 개념에서 플루토늄의 증식과 함께 고속 중성자의 스펙트럼 활용을 극대화시킨 TRU 버너[7]의 개념으로 돌아섰다. 이 분야에서의 연료 사이클에 많은 관심이 이어지는데, 사용후 핵연료는 가연성[8] 물질의 비율이 매우 낮아서 일반 원자로에서는 돌릴 수가 없지만, 고속 중성자를 이용해 폐기물로부터 연료를 생산해낼 수 있다는 고속로의 특징 덕분에 다양한 종류의 사용후 핵연료를 투입하여 발전하는 계획이 연구되고 있다. 그 방향성도 전력 생산 효율성을 증대하는 방향과, 사용후 핵연료의 TRU를 최대한 연소시키는 방향 등[9] 다양하다. 현재로서는 사용후핵연료의 처분으로는 유일무이한 대책이다.
하지만 굳이 새로운 핵연료를 생산해내는 증식로가 아니어도 사용후핵연료를 고속중성자로 소모시키는 burner 원자로는 여러 형태가 있고 요즘 유행하는 소형 모듈화 원자로 중에서도 훨씬 안전하고 사용후 핵연료를 처리하는 데 중점을 둔 안정 융용염 원자로 SSR-W 등 여러 대안이 나오고 있어서 굳이 SFR 이나 LFR 을 채택해야할 이유가 되지 못하고 있다. 즉 그나마 SFR 이나 LFR 의 유일하게 남은 장점마저 다른 4세대 노형들에 빼앗기고 있어 외국의 원자력 산업계에서는 사실상 사형선고로 받아들이고 있다. 4세대 원자로 중에서 현재 활발하게 연구 중이고 실용화를 추진중인 노형으로는 특히 소형모듈러원자로는 SFR 이나 LFR 은 거의 없다.
3.4. 부활
대략 10년전부터 증식로 개발이 사실상 부활했다. 차세대 원자로인 4세대원전국제포럼(GIF)에서 선정한 노형 6개 중 3개가 고속로, 나머지 3개 노형중 2개도 개발방향에 따라 고속로로 운용할 수 있는 노형이다.한국, 미국, 캐나다, 중국, 일본, 러시아, 프랑스, 영국, 유럽원자력위원회, 스위스, 인도, 남아프리카공화국, 브라질 등 증식로 연구진들이 모인 IAEA 회의
그리고 위에 명시된 4세대원전국제포럼에 참여한 국가들의 면면을 보면, 사실상 현존하는 주요 원자력 선진국들 전부라고 봐도 무방하다. 증식로 건설 자체는 중단 되었지만, 연구 자체는 계속 되다가 최근의 기조와 기술 개발등으로 개념을 바꿔서 부활한 것.
개념적으로 봐서(많은 부분 다르다) 고속증식로는 높은 파워를 바탕으로 다양한 연료를 이용해서 많은 전기와 플루토늄 생산을 할 수 있는 원자로라고 할 수 있다. 과거에는 높은 파워+플루토늄 생산에 주목했다면, 현재는 다양한 연료에 주목하는 방식. 즉 토륨 등의 더 낮은 반응성을 가진 물질(자연 상태에서 연쇄반응이 일어나지 않는 물질)을 사용하면 유사시에 발전소에 심각한 문제가 있어도 물리 법칙적으로 저절로 중지되는 발전소를 만들 수 있다. 마찬가지로 증식로의 단점이었던 '냉각재나 기타 용매등이 더 사용하기 까다롭다'를 '그러므로 비상시 물리적으로 반응하는 시스템을 만들기 쉽다(납 냉각재를 예로 들자면 온도가 높다→납이 녹아서 열 교환기가 작동, 온도가 낮다-> 그냥 원자로가 고철이 될 뿐)'는 장점으로 승화 시켰다.
현재는 차세대 상업용 원자로로 건설되어 상업운전 할 만큼 부활했으며, 다양한 차기 핵분열 원자로로 연구가 지속되고 있다.
3.5. 각국의 고속 증식로 연구
한중일러에서 개발중인 대형 고속증식로
한미일러에서 개발중인 소형 증식로
3.5.1. 일본
일본은 1985년부터 실험로 몬주를 건설하고 운용하였다. 자세한 내용은 항목 참조. 몬주 폐로 이후에는, 몬주에서 얻은 관련 데이터와 인력을 프랑스의 고속증식로 프로젝트인 ASTRID에 편입시킬 계획이다. 하지만 2018년 11월 프랑스는 일본과의 공동개발을 중단한다고 통보한 상태이다.
3.5.2. 한국
한국도 1992년부터 칼리머-600을 연구하여 1997년 한국원자력연구원 주도하에 개념설계단계, 2001년 4세대 원자로 포럼에서 우수모델로 선정되면서 정식으로 4세대 원전 기술 개발 로드맵에 포함되었다. 이어 대한민국 정부가 09년에 발표한 '녹색성장 5개년계획' 에 소듐고속로(SFR)가 포함되었고 대통령 직속 녹색성장위원회가 선정한 녹색정책의 27대 기술에도 들어가 있다. 2028년을 목표로 실증로 건설을 추진 중이다.한국이 그동안 주로 연구했던 방식은 일본 몬주증식로와 유사한 액체 나트륨(소듐)을 사용하는 소듐고속로(SFR)지만 이 방식의 미래가 불투명해지자 최근에는 수소생산을 목표로 하는 초고온 가스로(VHTR) 쪽으로도 관심을 보이고 있다. 프리즘형 연료봉과 헬륨 가스 냉각을 사용하려는 듯.
고속증식로를 위한 필수 기술인 20%급 우라늄 농축 기술과 파이로프로세스로 알려진 건식 재처리 기술이 바로 칼리머-600 소듐고속로를 위한 기술이다. 때문에 20%수준의 우라늄 농축 기술과 건식 재처리 기술이 2015년 타결된 한미 원자력협정에 포함되었던 것. 현재는 연구목적의 건식 재처리 중 1단계의 전해환원 기술과 차후 우라늄 저농축 기술에 대한 협의를 하는 길을 열어놓았지만 애초에 2028년의 실증로 로드맵 까지만 기한을 맞추면 되는 것이므로 한미 원자력협정이 고속증식로 개발을 금지하는 것은 아닌 셈. #
3.5.3. 러시아
러시아의 고속증식로는 BR-10, BOR-60, BN-350, BN-600, BN-800이 건설되었다. 모두 나트륨을 냉각재로 사용하는 고속증식로이다.
BR-10은 1958년도에 처음 운전을 시작한 이래 44년간 운영되다가 2002년도에 운전을 정지했다. 현재 원자로 해체 준비 단계를 밟고 있다. 실험로로서 발전용량은 10MW.
BOR-60은 시험(test)로에 속하며 발전용량은 60MW. 1970년 이후로 41년째 계속 운전중이다. 다목적으로 설계되었으며 2014년 12월 31일까지 수명 연장되었다.
BN-350은 카자흐스탄 악타우(Aktau)에 있었다. 150MW의 전력을 생산하면서 카스피 해의 물을 끌어다가 하루에 120,000 세제곱미터의 물을 담수화해서 주변 도시에 공급했다. 건설은 1964년에 시작하여 1973년부터 전기 생산을 시작했다. 1993년에 수명이 다하였으며 1994년에 운전이 정지되었다. 완전히 가동을 멈춘 건 1999년.
BN-600은 벨로야르스크(Beloyarsk) 원자력 발전소에 있다. 건설은 1969년에 시작되어 첫 임계는 1980년에 도달했다. 2010년에 수명이 다 했으나 수명 연장되어 2020년 3월 31일까지 운전된다. 발전 용량은 600MW이며 중부 우랄 전력망에 560MW의 전력을 공급한다.
또 다른 증식로는 벨로야르스크 원자력 발전소에 건설중이었던 BN-800이다. 동일한 나트륨 냉각식으로 2014년에 완공. 2014년 7월부터는 점검을 위한 최소 발전을 시작하고, 10월에 운전을 시작했으나 연료설계상 문제점이 발생하여 2015년 동안 개선작업이 진행되었다. 2016년 2월에 전력망에 재연결되어 8월에는 최대 발전량인 800MW에 도달. 10월 1일자로 상업 운전을 시작했다. BN-600과 달리, 이산화우라늄이 아닌 우라늄-플루토늄 연료를 사용한다. 발전용량은 800MW이며, 수명은 40년. 위에 있는 사진이 BN-800의 노심을 찍은 사진이다.
BN-1200은 연구중인 증식로로 1200MW의 발전량이다. 전 모델이었던 BN-800이 시험운전 중 연료설계에서 문제점을 드러내자, 이 문제를 해결하기 전까지는 프로젝트를 '무한 보류'하기로 결정되었다. BN-800은 문제가 해결되어 2016년부터 다시 운전을 재개했지만, 로사톰은 2019년까지는 건설을 재개할 방침이 없다고 밝힌 상태. 그러나 러시아 전체의 원자력 발전 계획에는 남아있어 2025년 건설할 예정이다.
BN-1200M은 이 기간동안 개량된 원자로로 기존 BN-1200와 출력은 동일하면서 부피는 35%가량 줄어들었다. 따라서 2025년 건설될 증식로도 BN-1200M이 될 예정이다. 로사톰은 향후 이 원자로를 기반으로 BN-1600을 만들 예정이라고 한다.
3.6. 진행파 원자로
TWR, Traveling Wave Reactor, 진행파 원자로라고 불리며 현재 개발중인 증식로이다. 물론 위의 모든 증식로와 마찬가지로 열화우라늄을 사용하며 처음 가동할 때 플루토늄이 필요하다. 가동방식은 위의 증식로와 동일하고 냉각 형식도 액체 나트륨을 사용하는등 같지만 최소한 60년 이상을 연료 보급 없이 사용할 생각을 갖고 있다. 정치적인 염려 없이 원자로를 팔고 거의 깨끗한 에너지를 만든다는 이상을 갖고 있다.
현재 미국의 테라파워라는 벤처기업과 이 벤처기업을 지원하는 여러 회사와 연구소가 있으며 그 중 대표적으로는 로스 앨러모스 국립 연구소와 마이크로소프트등이 이동파 원자로를 개발하고 있으며 2022년까지 프로토 타입을 개발할 생각을 갖고 있다. 현재 이 회사의 큰 돈줄 중 하나는 현 테라파워 회장님인 빌 게이츠이다.
컴퓨터의 제어를 통한 원전 관리로 인사사고 요소를 완전히 배제하는것이 목표로, 현재까지 단점은 컴퓨터 오작동으로 인해 원전이 완전이 죽는 경우. 재해시에 원전을 자동으로 완전 폐기하게 되어 있는 구조로 안정성은 높지만 약간의 오작동으로 원전하나를 그대로 버려야 한다고 한다.
거기다 테라파워가 하필 중국과 협력체계를 구축한것 때문에 현재 미국 중국간의 대립으로 인해 실증연구가 중지된 것도 문제.
3.7. 용융염 고속로
2010년대 후반부터 많은 연구가 진행되고 있는 원자로로 액체용융염을 냉각재로 사용하는 형태. 자세한 것은 용융염 원자로 참고. 용융염 원자로(MSR, molten salt reactor)는 예전부터 꾸준히 연구되어 왔지만 주로 저속의 열중성자를 이용하는 연구가 많았는데 최근들어 관심을 받고 있는 것은 고속중성자를 이용하는 Fast-spectrum MSR. 나트륨 고속로의 액체금속 냉각재 대신 불화염 등 용융염을 냉각재로 이용하고 고체 핵연료봉 대신 핵연료를 냉각재에 녹여 쓰는 점이 다르다. 연료증식 목적보다는 핵폐기물 소각로에 더 중점을 두고 있다. 특히 용융소금(염화나트륨)을 사용하는 MCSFR (Molten cloride salt fast reactor) 는 빌 게이츠의 TerraPower 와 Elysium Industries 등이 개발중이다.나트륨 등 액체금속 고속로에 비해 장점은 화학적 반응성이 낮은 용융염을 사용하므로 매우 안전하다는 것이다. 설사 원자로가 새어도 소금으로 굳어지므로 확산되기 어렵고 오염을 제거하기도 쉽다. 왜 그동안 위험한 금속 나트륨이나 납을 사용하려 했는지 의문이 들 정도.[10] 또 연료봉 다발이나 제어봉이나 감속재 등이 없어 구조가 어이없을 정도로 간단하므로 건설비가 매우 적게 든다. 또는 따로 연료봉을 사용하는 일반적 나트륨 고속로 설계에서 냉각재만 염화나트륨으로 바꾸는 하이브리드 방식도 가능성이 있지만 기존 원자로 구조와 유사해 연구개발비는 덜 들지만 건설이나 운용상으로는 큰 장점이 없이 구조만 복잡해져 용융로가 성공하면 곧 도태될 가능성이 높다.
4. 알려진 증식로들
- 몬주: 실험로이며 2017년 폐로가 결정되었다. 일단 뽑아먹은 기술은 후속 원자로에 사용할 예정.
- 조요
- 슈퍼피닉스: 계획 단계부터 극심한 반발이 있어 건설 중 알라의 요술봉을 맞는 에피소드도 있었으며, 결국 1997년 운전 중지.
- BN-350: 운전 종료.
- BN-600: 과거에 운전 중인 고속증식로 중 가장 크면서도 무엇보다도 안정적으로 30년 동안 운전에 성공했다.
- BN-800: 2014년 완공 후 시험운전 중 연료설계 문제가 발생하였다. 이를 해결한 뒤 2016년에 운전재개되었고 상업발전은 같은 해 10월 1일부터 시작하였다. 중국에서 이 원자로의 설계를 구입하기로 계약을 맺은 상태다.
- BN-1200: 개량형인 BN-1200M이 2025년부터 건설될 예정이다.
- BN-1600: 러시아의 차기 고속증식로로서 현재 개발중이다.
-
BREST-300: 러시아에서 2020년 건설 예정인 납 냉각형 고속증식로.
[1]
일반적인 원자로에서도 중성자를 흡수한 U238에서 변환된 Pu239가 연소되며, 이는 최대 전체 원전 출력의 3분의 1 수준을 차지한다고 한다. 연소되지 못한 Pu239는 남게되며, 재처리 과정의 결과 중 하나가 이러한 잔여 Pu239이다.
[2]
중요한 점은 플루토늄을 고속로에서만 쓸 수 있는 것은 아니라는 점이다. 플루토늄 역시 열중성자와 반응하여 분열할 확률이 더 높다. 단지 플루토늄 연소에 대한 연구가 완료되지 않았고, 그냥 우라늄 농축해서 태우는게 더 편하니까 안 집어넣을 뿐이다.
[3]
Pluthermal reactor dream for Japan still an elusive goal,
日 '핵연료 재활용' 플루서멀 발전 도입
[4]
금속과 물의 반응성에 대해 실험해 본 사람들은 알 것이다. 물론
칼륨보다는 반응성이 약하다.
[5]
1957년에 취역했던 SSN-575를 말하며, 90년대의
시울프급은 이 함정들이 다 폐선된 후에 만들어졌다.
[6]
참고로 원자로를 갈면서 나온 기존의 S2G 고속로는
스테인리스 컨테이너에 담아
북대서양 심해로 무단투기 해버렸다.
메릴랜드 동쪽 193 km 해상 수심 2,770 m 지점.
[7]
Transuranic 동위원소들을 태운다는 개념. 핵폐기물의 보관기간이 수백만년이 걸린다고 하는 것이 바로 이 녀석들 때문이다. 이 녀석들만 없으면 300년만 사용후핵연료를 보관하면 자연 상태로 돌아간다!
[8]
핵분열을 일으킬 수 있는 물질.
[9]
U-238이나 열중성자 반응을 일으키지 않는 TRU들의 경우 고속중성자와 충돌할 경우 분열하는 경우가 많다. 이러한 반응까지 고려하는 것.
[10]
융용염을 냉각재로 사용하는 구조로는 무기용 플루토늄도 못 얻고 연료 증식도 못하니까 그런거다. 요즘은 연료 가격이 저렴해져서 더이상 핵물질 증식에는 관심이 없고 냉전 종료로 남아도는 플루토늄239를 경제적으로 처리하기 위해 이쪽으로 연구를 튼 것.