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원자력 발전소 내부의 원자로 외부 모습 로사톰에서 운영 중인 나트륨 고속증식로 BN-800 이다. |
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Reactor Cavity 아래로 보이는 원자로 상부헤드 초록색 빛은 체렌코프 현상 때문이다. |
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1. 개요
原 子 爐, 核 反 應 爐 / Nuclear Reactor넓은 의미론 핵반응을 적절한 수준까지 조작하여 에너지를 얻는 장치를 말하지만, 좁은 의미로는 핵반응을 에너지로 사용하는 장치를 뜻한다. 그래서 핵융합로를 가리켜 원자로라고 해도 의미는 통용된다. 동력을 얻기 위해서 사용하는 경우가 많지만 기존의 핵물질을 반응시켜 새로운 핵물질을 생산하기 위해서 사용하기도 한다.
보통 원자로라고 할 때 칭하는 핵분열로의 기본적인 원리는 핵분열의 연쇄작용과 그 통제에 있다. 임계점을 넘은 핵연료의 연쇄작용을 가만히 놔두면 그 반응성이 기하급수적으로 늘어나기 때문이다. 결과적으로 40년대에 첫 인공 원자로가 가동한 이후로 인류의 원자로 발전은 어떠한 핵분열 반응 제어 방식이 더 효율적이고, 안전하며, 높은 열출력을 수용 가능한가라는 질문에 대한 해답을 찾는 과정이었다고 봐도 무방하다.
2. 역사
최초의 원자로는 맨해튼 프로젝트 당시 시카고 대학의 래킷장에서 만든 CP-1(시카고 파일 1)이 먼저이다. 보통 초임계를 원자로의 첫 가동으로 잡는데, 이 원자로의 초임계는 1942년 12월 2일이었다. 이때 아서 컴프턴이 제임스 코넌트에게 "이탈리아인 항해사가 신대륙에 도착했습니다"하고, 코넌트 왈 "원주민은 어떠합니까?" 다시 컴프턴이 "내린 사람들이 모두 안전하고 행복해합니다"라고 한 암호 전화가 유명하다. 여기서 이탈리아인 항해사는 엔리코 페르미이다.그 후 미국은 플루토늄 생산을 위해서 핸포드라든가 로스앨러모스, 오크리지 같은 곳에다가 원자로를 건설하게 된다. 전후 소련에서는 첩보활동을 통해서 맨해튼 프로젝트의 성과를 입수하고서 원자로를 건설하였다. 이후 미소 양국이 핵폭탄 원료인 핵물질 생산을 위한 군사용 원자로를 운영[1]하고 한편으로는 전력생산 혹은 선박추진을 위한 원자로 연구가 계속되다가 1953년 드와이트 D. 아이젠하워 대통령의 평화를 위한 원자력이란 발언 이후로 핵물질 생산 이외의 실용 원자로 건설 기조가 전세계적으로 붐을 이루게 되었다.
3. 구성품
현재 가동중인 대부분의 원자로를 구성하는 구성품들은 다음과 같다. 이들 중 필수적인 것도 있고, 연구되는 원자로라든가, 목적, 원리에 따라서 없을 수도 있다. 몇몇 원자로엔 제어봉 밑으로 적혀있는 것들이 없는 것도 있다. 예를 들어 RBMK라든가 마그녹스 같은 경우엔 격납 건물이 존재하지 않는다.- 핵연료 - 보통 연료봉을 여러 개 묶은 연료집합체로 들어간다. 클래딩(1연료집합체를 이루는 금속)으로 중성자 흡수가 없는 지르코늄 합금인 지르칼로이를 사용한다.[2]
- 중성자 감속재 - 고속 중성자를 사용하는 원자로에는 감속을 할 필요가 없으므로 감속재가 없다. 경수로 노형에서는 경수[3]를 이용하며, 중수로 노형에서는 중수[4]를 감속재로 사용한다.
- 냉각재 - 보통 물이 사용되며, 현재 건설중인 것 하나랑 운용중인 것 한 기를 제외한 영국에 있는 모든 발전용 원자로는 이산화 탄소를 냉각재로 사용한다. 헬륨을 사용하는 초고온로가 개발 중에 있다.
- 제어봉 - 보통 붕소, 카드뮴이나 스테인레스 스틸, 하프늄 등 중성자를 흡수하는 재질을 사용한다. 근데 영국에서 사용 중인 개량 가스냉각로는 스테인레스 스틸을 연료 클레딩으로 쓰기도 한다.
- 열교환기 - 가압경수로(PWR)의 증기발생기 등, 비등경수로(BWR)같이 핵분열에서 나온 열을 곧바로 이용하는 원자로에는 없다.
- 원자로 압력용기 - 사진과 같은 풀장형 원자로의 경우엔 없다.
- 비상 노심 냉각 장치 ( ECCS, Emergency Core Cooling System)를 위시한 원자로 비상 안전시스템
- 원자로 보호 시스템
- 격납 건물 - 마그녹스나 구 소련제 원자로엔 없다. RBMK이나 VVER이나… 단 최근 만들어지고 있는 VVER이나 구 소련에 만들어졌지만 핀란드에 있는 로비사 원자력 발전소의 VVER은 예외. 주로 돔 형태이지만 사각형이나 팔각형 등 형태는 생각보다 다양하다.
4. 구조에 따른 종류
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여기서 일반적으로 원자로 하면 일컫는 핵분열로의 경우, 다시 고속 중성자를 이용하는 고속중성자로(흔히 고속로라 줄여 쓴다)와 감속된 중성자인 열중성자를 이용하는 열중성자로로 나뉘는데, 이는 연쇄작용에 필요한 중성자를 감속시켰는지 아닌지에 따라 나뉘어진다. 일반적으로 중성자와 원자핵의 반응에 대하여 이야기 할 때, 정말 일부의 극히 드문 예외를 제외하고 거의 모든 원소는 낮은 에너지(= 낮은 속도, 즉 일반적으로 열중성자라고 부르는 입자)의 중성자에 대한 중성자 단면적[6]이 고속의 중성자 단면적보다 크다. 이는 특히 핵연료로 쓰이는 원소의 경우 두드러지는데, U235나 Pu239는 그 열중성자 단면적이 고속 중성자 단면적과 비교하여 수백배에서 수천배 가량 크다.[7] 이 말은 즉슨 연쇄 작용을 얻는데 있어서 열중성자가 고속 중성자보다 적합하다는 것을 의미한다. 고속 중성자로 연쇄 반응을 일으키는 것이 불가능한 것은 아니지만, 이는 높은 U235 혹은 Pu239의 농축도를 요구하게 되는데, 고농축 U235의 제조 과정은 매우 비싸며, Pu239의 경우 고농도로 얻기 위해서는 재처리 과정을 필요로 하며 일반적으로 핵무기에 사용되기 때문에 재처리로 얻어진 Pu239의 연료로서의 이용은 MOX 같은 경우를 제외하면 거의 이뤄지고 있지 않으며, MOX 또한 특별한 경우가 아니면 현재의 3세대 이하의 원자로에서는 연료로서 사용되고 있지 않다.[8] 즉 현재 가동중인 거의 모든 상업 원전은 열중성자로이다.
앞서 말한대로 열중성자로는 연쇄반응을 이끌어내기 위하여 U235의 핵분열에서 발생한 고속의 중성자를 감속 시킬 필요가 있고, 이를 위해 감속재를 필요로 한다. 원자로의 종류는 이 감속재의 종류에 따라 다시 구분하게 되는데, 대표적인 감속재는 흑연, 일반적으로 물이라고 말하는 경수[9] 그리고 중수가[10] 있다.
냉각재의 경우 열중성자로와 고속로의 구분에 상관 없이 필요한 존재이기 때문에 원자로를 구분함에 있어 가장 중요한 사항이라 할 수 있으며, 대부분의 원자로의 경우 냉각재의 종류에 따라 그 이름이 지어져 있다. 경수로가 가장 일반적이며, 이외에도 중수로, 가스로, 융융염로, 액체금속로 등이 존재한다. 이 중 경수와 중수의 경우 비열이 높아서 냉각재로서의 성능이 훌륭한 것 이외에도 위에서도 설명했듯이 훌륭한 감속재이기도 하기 때문에 보통의 원전은 경수 혹은 중수가 감속재이자 동시에 냉각재이기도 하다. 물론 예외는 존재한다.
가장 많이 사용되는 경수로 및 중수로는 다시 그 냉각 구조에 따라 분류할 수 있다.[11] 직접 물을 끓여서 터빈에 보낸 후 발전에 사용하는 비등수형 원자로,[12] 압력을 이용해 1차 루프의 냉각수가 끓어 오르는 것은 막고 열교환기를 통해 2차 루프의 물로 열을 보낸 후 2차 루프의 오염되지 않은 증기를 발전에 사용하는 가압수형 원자로가 있으며, 가압수형보다 압력을 엄청나게 높여서 열효율을 높이는 초임계압 경수로, 압력용기가 없는 풀장형 원자로가 있다. 대표적인 풀장형 원자로는 원자력연구원에 위치한 하나로, 그리고 예전에 쓰던 TRIGA 원자로가 있다.
연료 형태로 분류하자면, 보통 사용되는 고체연료(금속 우라늄연료, 산화물연료 등)가 있고, 이론상에 존재하는 가스 연료, 액체 연료가 있다. 액체 연료는 2가지로 나눠지는데 한 가지는 용융염(LiF-Be)를 이용한 용융염 원자로, 물에 우라늄을 탄 원자로가 있는데, Water Boiler란 별명을 지니고 있다. 가동 모습을 보면 뽀글 뽀글 기포가 올라오는 게 물이 끓어서 그렇게 별명이 지어졌지만, 사실 그건 물이 분해되어 나온 산소와 수소, 그리고 분열생성물(...)이다.
세대순으로 따지자면, 현재까지 실증한 것으로는 4세대까지, 이론상으로 존재하는 것으로는 5세대까지 구분 가능하다. 1세대는 상업 원자로의 시작점에서 대략 60년대 중후반 까지 지어진 원자로들로, 대표적인 예로는 RBMK와 마그녹스가 있다. 60년대 부터 지어진 2세대로는 잘 알려져 있는 가압수형 원자로와 비등수형 원자로, CANDU, 영국의 개량 가스냉각로 등이 있으며, 3세대는 이들 2세대 원자로의 이론을 바탕으로 더욱 발전시키고 개량한 원자로들이다. 여기에 3세대 + 또한 존재하는데, 이들 3세대 및 3세대 + 원자로들의 가장 큰 차별점은 그 안전성 및 안정성이다. 특히 원자로의 수동적인 안정성 및 안전성과, 멜트다운 같은 극단적인 상황의 대한 대비 등이 꼽힌다. 대표적인 3세대 원전으로는 대한민국의 한국 표준형 원자로를 예로 들수 있다. 4세대 원자로는 여러모로 기존의 3세대 이하의 원자로들과는 그 궤를 달리하는 물건들인데, 이들 4세대 원전들은 기존의 원전에 비해 몇백 배 가량의 효율성, 낮은 사용후 폐기물 생성량과 해당 폐기물들의 상대적으로 매우 짧은[13] 반감기 등을 그 특징으로 한다. 4세대 원자로 중 대표적인 것으론 증식로가 있다.[14]
마지막으로 사용목적을 들 수 있는데, 대다수의 원자로가 에너지 생산[15]용으로 쓰이고 있으나 몇몇 원자로들은 각종 동위원소 생산에 사용되고 있다. 대한민국에선 하나로가 동위원소 생산이라든가 교육등의 용도로 사용되고 있다. 구형 TRIGA 원자로는 폐로되었다.
중성자 감속재 및 감속방법, 1차 냉각계통과 2차 냉각계통이 분리 여부 등의 요인으로 원자로의 종류를 분류한다. 현재 원자력 발전소에서 사용되는 원자로는 모두 핵분열을 이용하며, 핵융합을 이용한 핵융합 발전도 연구 중이지만 실용화는 아직 먼 듯하다. 전 세계가 합심하여 플라즈마를 가두고 제어하는 것을 수많은 실험들을 통해서 데이터를 축적하고 있지만 이것을 발전용으로 쓸 수 있는지는 아직 정확하게 모르고 어쩌면 불가능할지도 모른다고 한다.
이하로는 대표적인 원자로 종류들의 대한 설명이다.
4.1. 흑연 감속로
흑연을 중성자 감속재로 사용한 원자로이며, 경수로에 비해 매우 적다. 현재 사용 중인 노형은 AGR와 RBMK이다.- AGR(마그녹스, 개량 가스냉각로): 영국에서 개발된 가압 이산화 탄소 냉각형 원자로로 자세한 건 셀라필드 원자력 단지 문서로. 현재 가스 냉각형 원자로는 오직 영국에서만 쓰인다. 그리고 마그녹스는 모두 퇴역한 상태이다. 북한이 핵실험에 쓸 플루토늄 뽑아내려고 만든 녕변원자력연구소의 5MW급 원자로도 이 물건을 배껴 만든 것.
- RBMK(흑연감속 비등경수 압력관형 원자로): 체르노빌 원자력 발전소 사고 기종이자, 세계 최초로 전력망에 전력을 올린 원자로. 자세한 건 체르노빌 문서로.
4.1.1. 흑연감속 가스냉각로
영국의 마그녹스[16]와 그 후계기인 AGR(Advanced Gas-cooled Reactor)가 이 형식에 속한다.[17] 중성자 감속은 흑연에 의해 이루어지지만 원자로의 열은 원자로 압력용기내의 이산화 탄소 등의 가스가 흡수하여 증기발생기로 전달하는 형식이다. 냉각재가 가스이므로 증기폭발이나 수소폭발의 위험성은 없으며, 4세대 원자로중 하나인 초고온가스로 역시 구동원리는 달라졌을지언정 기술계통으론 이쪽 계열이다. 예를 들어서 페블베드 원자로등등... 그러나 부피 당 물질량이 적은 기체상을 냉각재로 쓰는만큼 같은 양의 열을 옮기기 위해 훨씬 많은 양의 냉각재를 사용해야 하고, 자연스럽게 수랭식 원자로보다 훨씬 큰 부피를 자랑한다. 부피가 커지면 자연스럽게 격납용기, 격납건물도 커져야 하고, 이 부분은 공사 난이도 및 비용의 상승을 유발할 수 있다.
굳이 포함하자면 셀라필드에 지은 공기 냉각형 흑연감속 가스냉각로도 있다. 이 공기 냉각로를 지으면서 기술을 익혔고, 그 이후에 마그녹스를 짓게 된다. 자세한 사항은 셀라필드 항목을 참고바람.
4.1.2. 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로 (대출력채널형원자로)
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| ▲ 소련 시절 제작된 RBMK 원자로 연료봉 교체 영상. |
체르노빌 원자력 발전소와 소련에서 지은 여럿 원자력 발전소의 기종이다. 흑연을 감속재로 사용하고, 경수를 냉각재로 삼는다. 러시아어로 Реактор Большой Мощности Канальный(Reactor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy, 채널형 고출력 원자로)로 써서 RBMK 라는 이름을 가졌다. 이는 세계 최초의 원자력발전소인 오브닌스크원자력발전소에 설치된 АМ-1 및 벨로야르스크원자력발전소의 АМБ계열 원자로의 운용실적에 의거하여 제작된 당대 최대출력의 원자로였으며, 채널형구조의 특성상 운전 중에도 핵연료교체가 가능하였으며 그를 이용하여 서방의 PWR이나 쏘련의 ВВЭР과 비교하여 연소중인 핵연료의 위치를 바꿔넣는 방식으로 균질하고 경제적인 핵연료연소가 가능하게되였다 (그 대신 농축도가 낮은 핵연료를 사용하였기 때문에 핵연료재처리의 경제성은 떨어지게 된다). 또한 의료용의 단수명 동위원소생산에도 이용되는 등 이전의 원자로와 그 규묘와 용도면에서 매우 구별되는, 본격적 다목적 산업용원자로이다.
4.2. 경수로
경수를 중성자 감속재/냉각재로 사용하는 원자로 노형으로 중수에 비해 중성자 흡수도가 높기에 연료 농축이 필요하다. 보통 발전용 우라늄 농축도는 3~5% 정도의 저농축 우라늄(LEU, low enriched urannium)이다. 하지만 잠수함이나 항공모함 등은 95%이상의 무기급 우라늄을 이용하기도 한다. 5-20% 사이의 비교적 높은 농축도의 우라늄(High Assy LEU HALEU) 을 사용하려는 움직임도 있다. 미래의 4세대 경수로용으로 새로 상업화할 예정.원자력 잠수함에 집어넣을 원자로로 처음 개발되었으며 현재에도 널리 사용되고 있다. 발전소 쪽에서도 마찬가지인데 대한민국의 한국 표준형 원전을 포함한 대다수의 원자력 발전소들이 이 방식을 채용하고 있다. 러시아에선 VVER(Водо-водяной энергетический реактор)이라고 부르기도 한다. 러시아는 소련/러시아 시절 자체적으로 가압수형 원자로를 개발했기 때문.
- 가압수형 원자로: Pressurized Water Reactor, PWR. 원자로와 발전계통이 서로 분리되어 있으며, 원자로 계통(1차 계통이라고도 한다.)내에서 냉각재로 순환하는 물에 120기압가량의 압력을 가해 끓지 않도록 만들고 터빈 발전용 증기 발생기를 원자로 외부에 설치하는 방식이다. 방사선 차폐면에선 격납용기 안에서만 방사능이 유지되기에 격납용기를 나가는 비등수형 원자로보다 훨씬 우월하며 압력 덕에 물의 끓는점이 높아 냉각재가 더 많은 열을 수용할 수 있기 때문에 비등수형에 비해 출력도 더 높일 수 있으나 원자로의 열을 간접적으로 받는 형태라 열효율은 떨어진다.
- 비등수형 원자로: Boiling Water Reactor, BWR 원자로에서 직접 물을 끓여서 터빈을 돌리는 방식. 현재 대한민국에선 존재하지 않으며, 독일, 일본 등에 위치해 있다. 후쿠시마 원자력 발전소의 노형이 이것. 터빈과 원자로가 직결되어 있기에 방사능 누출에 많이 신경써야 한다. 가압수형 원자로보다 늦게 나왔으며, 특성상 기술이 있어도 무기화하는 게 힘들다. 아예 발전을 노리고 만들어진 원자로이다.
4.2.1. 가압수형 경수로
가압수형 경수로(PWR, Pressurized Water Reactor)는 구조가 복잡하지만 방사선의 관리상 유리하기 때문에 최근에는 대부분이 이 방식을 사용한다. 압력용기 내부에서 가열되는 물과 터빈으로 보내는 물을 분리한뒤 압력용기 내부의 물을 100기압 이상으로 가압함으로써 물을 끓이지 않고 300도씨 이상으로 가열한다. 그리고 가열된 열로 다른 배관을 지나는 물을 끓여 증기를 만들고 이 증기가 터빈을 돌리면서 전기를 발생시키는 것이다. 간단히 말하면 중탕.소련/러시아에서도 자체적으로 가압수형 원자로를 만들었는데, Водо-водяной энергетический реактор, Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor(VVER)이라고 따로 부른다. 발전용량 kW 당 $1,200 달러라는 획기적으로 싼 건설 가격(풍력발전기보다 싸다!)으로 현재 로사톰이 신나게 팔고 다니는 물건이다. 다른 경수로 들은 대체로 $5,000 달러 선.
4.2.2. 비등수형 경수로
비등수형 경수로(BWR, Boiling Water Reactor)는 압력용기 내부에서 물을 끓이고 이때 발생한 수증기를 터빈으로 보내 터빈을 움직여 전기를 발생시키는 원리이다. 설명만 들으면 금세 터빈이 방사능에 절여질 것 같지만 노심에서 물이 기화되지 방사성 물질이 기화되는 것이 아니며, 끓는 과정에서 수증기에 포함된 방사성 물질을 함유한 수분을 걸러내는 조치를 취하여 터빈 측에서 취해야 할 방사능 관리는 감당할 만한 수준이 된다. 2차 계통이 생략된 만큼 전체 구조가 단순하고 비용은 절감되며 열효율은 높아진다. 또한 다뤄야 하는 기기의 종류, 감당해야 하는 압력이 낮기 때문에 사고 발생시 필요한 조치 역시 가압수형과 비교시 복잡하지 않다.그러나 노심 상단에서 증기발생을 처리해야 하는 구조상의 문제로 제어장비는 노심 하단에서 노심 중심부로 기계장치를 이용해 제어해야 하는 문제가 생기고 이 한계는 비상시 중력 같은 자연현상을 최대한 이용하는 현대 트렌드와 배치되어 더이상의 특기할 만한 연구는 진행되고 있지 않다.[18] 또한 노심 내에서 비등(Boiling)을 허용하는 2-phase 상황에서는 연료봉 표면을 기포가 덮는 국부적인 열 차단 현상이 발생하면서 연료봉 표면의 온도가 높고, 이 때문에 고온에서 발생하는 지르코늄 산화 반응이 촉진되어 가압수형 원자로에 비해 수소 발생량이 3배 가량 높다. 후쿠시마 원자력 발전소에 있는 원자로들이 이 방식이기 때문에 후쿠시마 원자력 발전소 사고 당시 원인 중 하나로 이 노형 자체의 문제가 꼽히기도 했다.
4.3. 중수 감속로
중수로(HWR, Heavy Water Reactor)는 중수를 감속재로 사용하는 원자로를 뜻한다. 중수는 보통 PWR에서 감속재로 사용하는 경수보다 중성자 흡수 단면적이 적어 U-235를 0.7% 가량 함유한 천연우라늄으로도 가동이 가능하다. 심지어 사용 후 경수로 연료를 장전해 넣어도 가동된다고. 현재 중수를 사용한 원자로 중 제일 유명한 건 캐나다에서 개발한 CANDU이다.- CANDU: 캐나다에서 개발한 중수로로 현재 월성 원자력 발전소에서 가동 중, 자세한 설명은 월성 원자력 발전소의 CANDU 부분에 나온다.
중수로 연구는 특히 맨해튼 프로젝트때 중수를 공급한 캐나다에서 이뤄졌으며, 이후 CANDU(CANada Deuterium Uranium)라는 브랜드를 가지게 된다. CANDU나 인도에서 상용화한 중수로는 감속재와 냉각제가 모두 중수이지만, 20세기에 쓰인 일부 설계에서는 감속재만 중수로 하고 냉각은 경수 혹은 기타 물질을 이용하는 경우도 있었다. 중수는 암모니아 공정 원료인 수소 생산을 위해 물을 전기분해하면서 전기분해도의 미세한 차이를 이용해 전기분해를 반복해 중수를 생산하기 때문에 매우 비쌀 수 밖에 없다.
중수로는 비교적 안전하고 원자로의 제작의 기술적 난이도도 낮은 편이다. 중성자 흡수가 경수에 비해 월등히 적기 때문에 일반 천연 우라늄을 농축하지 않고 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 이 특성 탓에 다른 경수로에서 다 쓰고 교체된 0.8% 짜리 사용후 핵연료도 마치 다 쓴 치약 짜 쓰듯이 알뜰하게 연료로 사용할 수 있다.
가장 유명한 중수로인 CANDU 코어의 구조는 수평형 증기보일러처럼 고압의 중수가 채워진 채널이라는 다수의 굵은 관이 수평으로 배치되어 있고 채널 주위의 코어 내부는 일반 경수가 채워져 있다. 채널에 원통형의 핵연료 다발을 수평으로 밀어넣어 반응하고 발생된 열은 채널에 순환하는 중수가 흡수하여 코어 외부에 달린 4개의 열교환기를 통해 경수 물을 끓여 그 증기로 발전한다. 채널에서 새어나온 고속중성자의 에너지는 5% 가량인데 코어 내부에 채운 경수가 흡수하여 따로 냉각한다. 제어봉은 채널 사이에 직각으로 배치해 수직으로 오르내리는 구조이다. 연료가 수평형으로 배치되어 있어 관리나 연료 교체작업도 편하고 원자로 가동중에도 연료교체를 할 수 있어서 가동률이 매우 높다. 타다 만 연료봉을 인출하여 여러 산업용 방사능동위원소의 생산에도 쉽게 사용할 수 있는 융통성도 있지만 이게 플루토늄 생산도 쉬워 인도의 핵무기 개발에 악용되기도 했다. 한국이 중수로인 월성 1호기를 도입하는데 이런 의도가 있었다는 주장도 있다.[19]
단점으로는 U-235의 농도가 낮고 중수를 이용하기에 원자로 코어의 크기가 경수로보다 훨씬 크고 또 반응로 코어나 격납건물도 커져야 하고 엄청나게 비싼 중수의 양과 그 가격 때문에 초기 건설비가 매우 비싸다. 천연 우라늄을 그대로 사용하기 때문에 경수로에 비해서 플루토늄을 다량으로 생산하게 된다는 것과(무기 전용의 의심을 받는다) 가압경수로 등에 비해 고준위 폐기물이 대량으로 발생한다는 문제점이 있다. 한국에서 경수로는 21기, 중수로는 4기지만 사용후 핵연료의 절반 이상이 중수로에서 나온다. 또 삼중수소의 발생도 많은 편이다. 통상 운전 상태에서 적절한 양보다 많은 감속재를 집어넣어 중성자를 과감속 시키는데, 이러다보니 출력이 올라가면 감속재의 밀도가 감소하고, 중성자 이용 효율이 좋아지면서 출력이 그대로 올라가버리는 문제점이 존재해 안전 상으로도 신경 쓸 거리가 많은 것도 흠.
천연우라늄을 농축하지 않고도 사용할 수 있어 핵연료비가 싸다는 게 큰 장점이었지만 원심농축법으로 우라늄 농축비용이 폭락하자[20] 발전용 저농축우라늄 연료도 싸져서 중수로의 메리트가 사라지고 위에서 설명한 단점만 부각되어 중수로는 인기를 잃고 CANDU 형도 나중에는 중수로를 포기하고 경수로 설계로 변경되어 건설되었다.
4.4. 고속증식로
나트륨이나 납 등 금속을 냉각재로 쓰는 증식로로서 나트륨을 냉각재로 사용하는 소듐냉각고속로 SFR(sodium fast reactor) 와 납-비스무트 합금을 사용하는 LFR(lead fast reactor) 가 있다.장점으로 핵원료 재사용이 가능해 에너지 효율이 뛰어나고, 원자로의 효율에 직접적인 영향을 미치는 1차 계통의 온도를 높일 수 있고 가압 경수로 대비 노심 출력 밀도가 2배 이상 높아 크기에 비해 출력이 크며 성능이 우수하고 핵폐기물도 다른방식보다 적게 나오는 등 장점이 많아 각국에서 차세대 원자력 발전소로 개발중이다. 최근 우라늄 매장량이 생각보다 많다는 결과가 나와도 결국엔 한계가 있고 이는 기술적으로 보안해 다시 싸질 수 있다. 또한 요즘 대두되는 반감기가 긴 고준위 방사능 폐기물 보관 문제에서 다른 원자로 방식보다 덜하다는 점 그리고 구조상 설령 사고가 나더라도 노심용융 같은 대형 사고로 이어질 가능성이 적다는 높은 안정성 때문에 여전히 차세대 원자로로 주목받고 있다.
단점으로 건설 및 제작 비용이 다른 원자로보다 2~3배 비싸고 최근 우라늄 매장량이 생각보다 많은것으로 밝혀지면서 우라늄 연료의 가격이 재처리 가격보다 싸지게되어 경수로보다 전력단가가 25%-50% 더 비싸지면서 사실상 경제적 장점을 상실했다. 더구나 운전이 까다롭고 나트륨 화재 등 위험성 우려가 높고 핵확산 우려도 있다. 다른 원자로 방식 같은 전통적인 냉각수 방식보다 덜직관적이라 관련 기술과 노하우가 없으면 운영하다 사고내기 딱 좋다. 특히 일본은 여러 실용화 연구가 안전성 문제로 좌절되고 게다가 몬주, 조요에서 대형 사고까지 발생해 다른 나라와 달리 현재 대부분 연구가 중단상태다. 이 때문에 아직까지도 전 세계적으로 퍼지지 않았는데 왜 안 퍼졌는지는 증식로와 몬주, 조요 문서로.
크기에 비해 출력이 크다는 장점 때문에 미국과 러시아에서 핵잠수함 원자로 같은 소형 원자로로 사용했었다. 그러나 상술한 단점 때문에 증식로 관련 기술이 뛰어난 미국과 러시아조차 학을 때고 증식로를 사용하는 핵잠수함을 모두 퇴역시키거나 경수로식 원자로로 교체하였다. 이처럼 소형으로 만들기 쉬워도 새로이 각광받는 소형모듈형원자로로는 오히려 상성이 맞지않아 한때 소형 원자로 모듈로 많이 설계되었으나 최근 소형 원자로로써 미래전망은 어둡다. 오히려 공간이 확보되어 안전장치 설치와 관리가 상대적으로 쉽고 반감기가 긴 고준위 폐기물이 적게 나와야하는 원자력 발전소 같은 대형 원자로로 각광받고 있다. 로사톰에서 자국내에 열심히 짓고있고 수출도 성공한 BN 시리즈(BN-800, BN-1200, BN-1600)가 바로 이 대형 나트륨 고속 증식로다. 특히 이 BN 계열은 기술의 발달로 발전 가격도 Kwh 당 2.35 루블(약 37원)으로 경수로보다 다시 싸졌다.[21] 다만 경수로보다 건설 비용이 여전히 2배나 되는 점은 여전하여 러시아 내에서도 경수로를 완전히 대체하지 못하고 있다.
4.4.1. 소듐냉각고속로
소듐(나트륨)을 냉각제로 쓰는 고속로. 상술한 고속로의 서술이 대부분 이 소듐 고속로 관련 설명이다.4.5. 토륨 원자로
우라늄 대신 더 안전하고 사용후 핵연료 배출량이 적고 반감기가 짧아 핵폐기물 영구처리가 상대적으로 쉬운 토륨을 연료로 사용하는 방식. 아래의 용융염 원자로와 결합해 연구되는 경우가 많다. 해당 문서 참조4.6. 용융염 원자로
냉각재로 물이나 중수 대신 액체 불화염 등 용융염을 사용하는 노형. 우라늄이나 플로토늄을 연료로 쓸 수도 있고 토륨을 연료로 쓸 수도 있는 등 연료 선택에 융통성이 넓다. 그래서 용융염 원자로와 토륨 원자로는 대부분 같이 거론 되는 편이다. MSR(molten salt reactor)라고 불리며 특히 토륨을 사용하는 경우에는 액체불화토륨원자로 LFTR(Liquid fluoride thorium reactor) 라고 불린다. 사용후 핵연료를 태워서 소모시켜 처리하는 천우라늄원소소각로 (transuranium burner)로도 유망하다. 또 고온의 용융염을 에너지 저장 수단으로 활용해 피크시간에 발전량을 늘릴 수 있다.매우 안정된 액체 불화염 또는 액체염화염을 연료 및 냉각재로 사용해서 안전성이 높고 소형으로 만들기 쉬워 아래의 소형 모듈식 원자로(SMR)의 방식으로 많이 연구 개발되고 있다. 발전용량에 비해 크기가 작고 안전성을 확보하기 쉬워 가장 건설단가가 적게 들어가는 노형이다. 건설단가는 kW 당 2000-3500 달러, 발전단가는 MWh 당 43 달러 정도. 중국은 이미 실험로를 벗어난 세계최초의 MSR 원형로를 완성해 가동을 앞두는 등 2020년대 가장 각광을 받고 있는 4세대 원전 노형이다. 현재 개발과 실용화 추진이 매우 활발하고 다양한 형태나 운용 방식의 노형이 제안되고 있으며 2030년대 초에는 100-300 MW 급의 상업발전을 시작할 수 있을 것으로 예상된다.
특히 용융 염화염 고속로 (Molten Chloride Reactor Experiment (MCRE)) 는 핵폐기물 소각에 뛰어나 미국에너지부와 산업계가 공동으로 5년간 1.7억 달러를 들여 실험로 건설에 착수하는 등 연구가 활발해 한국도 이에 관심을 기울일 필요가 있다.
2022년 5월, 덴마크의 스타트업 시보그(Seaborg)는 대한민국 대전 대덕연구개발특구를 거점으로 삼고, 연내 부유식 원자로를 제작하고, 6년 내 소형 용융염 원자로(CMSR)의 상용화를 목표한다고 발표했다. #
4.7. 초고온 가스로
물이나 중수 등 액체를 냉각재/감속재로 쓰지않고 헬륨이나 질소 이산화 탄소 등 고온의 기체를 냉각재로 쓰는 방식. 일반 경수로 보다 훨씬 높은 온도에서 가동된다. 핵연료는 공이나 프리즘 형태로 가공해 쌓고 흑연을 감속재로 사용한다.그중에서도 가장 실용화가 빠른 것은 페블베드 원자로. 공 모양의 핵연료을 자갈 더미처럼 쌓아서 사용하는 초고온 가스냉각로(VHTR)의 일종. 핵분열성 핵연료를 마치 테니스공이나 당구공 모양으로 3-4중의 재료와 고온에 견디는 실리콘 카바이드 세라믹으로 둘러싸서 만들어 1000도가 넘은 온도에서도 견딜 수 있게 한다. 그런 공을 자갈 무더기처럼 쌓아서 핵반응을 일으킨다. 냉각은 헬륨, 질소, 이산화 탄소 등의 가스를 이용하고 중성자 감속은 연료공 내에 흑연(graphite)을 이용한다. 4세대원전국제포럼에서 선정된 4세대 원자로의 6가지 후보 중에 하나.
운전 온도가 매우 높아 열 효율이 높고 높은 온도로 수소 생산도 가능하다. 열 교환이나 냉각 순환도 고열에 의한 가스의 자연적인 대류를 이용하므로 원자로 사고 시에도 안전한 편이다. 연료는 연속적으로 위에서 보급되고 사용이 끝난 연료는 아래에서 추출한다. 연료 교체를 위해 원자로를 정지시킬 필요가 없다.
현재 개발 중인 4세대 원자로로, 일반적인 연료봉 형태가 아니라 흑연 감속재가 우라늄등의 연료를 감싸고 있는, 마치 테니스 공처럼 생긴 연료(TRISO)를 무더기로 쌓아서 사용하며, 이 공모양의 연료들은 시간이 흐를수록 점점 원자로 아래로 내려가 고갈될때 쯤 원자로 밖으로 배출된다. 따라서 기존 원자로처럼 연료봉의 교체를 위해 원자로를 정지할 필요가 없고 냉각재로 더 이상 끓어서 폭발할 염려가 없는 가스 냉각재를 사용하는 특성상 안전성이 높아 미국, 러시아, 일본, 중국 등 여러 국가에서 이 방식에 기반한 노형을 개발 중이며, 4세대 원자로 중 가장 실용화에 가까운 노형이다. 대부분 냉각기체는 코어 벽 하부로 들어와 벽을 냉각하고 파일의 위에서 아래로 흐르며 가열되어 아래도 빠져나가는 형태. 현재는 원자로 내에서 연료공끼리의 마찰로 인해 흑연 외피가 벗겨져 방사능 분진의 상태로 흩날리는 문제가 발견돼 이를 해결하기 위해 연구중이다. TRISO 제작이 까다로와서 핵연료비가 비싼 것이 흠이며 운전 온도가 하도 높다보니 원자로 용기 등의 설비의 기계적 신뢰성을 보장하기가 힘든 것도 난관.
사실 상술한 페블베드 원자로의 경우 독일에서 주도적으로 개발하고 있는 4세대 흑연감속로의 한 형태로, 아예 같은 TRISO 연료를 흑연 감속재 속에 알알이 박아넣고[22] 운전하는 형태도 있다. 미국과 기타 국가들이 대부분 이쪽을 선택하고 있으며, 비교적 연료 입자들이 고정되어 있기 때문에 파일 방식이 가진 분진 문제에서 비교적 자유롭지만 나름의 단점이 있긴 하다. 이 원자로의 경우 흑연 감속재 곳곳에 작게 구멍을 뚫어놔서 순환하는 헬륨 냉각재가 통과하면서 냉각할 수 있도록 제작된다. 다만 흑연의 순도나 품질에 상당히 민감해서 연료제작비가 올라간다.
용융염 원자로와 절충형태도 있는데 TRISO 연료를 이용하면서 가스를 냉각재로 사용하는 것이 아니고 용융염을 순수한 냉각재로 이용하는 형태. 이 경우 TRISO는 부력으로 훨씬 유동성이 커지고 이동하기 쉬워져 기계적인 스트레스는 덜받을 수 있다. 기체보다는 액체가 훨씬 비열이 크고 냉각효율도 높고 더 다루기 쉬운 것도 장점. 흑연 분진도 액체에 섞여 침전 여과 처리하기 쉬워진다. 냉각재는 기체 방식과는 달리 아래에서 주입되어 위로 대류한다.
중국이 연구에 매우 적극적이라 이미 200-MW급의 원자로를 건설이 완료되어 시험가동중이고 미국 등 각국에서 연구가 활발하다. 중국의 초고온 가스로 HTR-PM (High-Temperature Gas-Cooled Reactor Pebble-Bed Module)는 이미 실용화되어 상업발전을 앞두고 있다. 한국도 관심은 있는 듯하다. 한국도 수소 생산을 위해 연구 중이라는 보도자료가 있는거 보면 아주 관심이 없지는 않은듯. 다만 4세대 원자로 중에서 본격적인 발전 목적으로 연구하는 것은 소듐 냉각로 쪽에 가까운 듯 하다.
4.8. 융합-분열 혼성로
융합-분열 혼성로(Fusion-Fission Hybrid)는 핵융합로와 핵분열로가 혼합된 형태의 원자로다.자세한것은 해당 문서 참조
4.9. 중소형 원자로
4.9.1. 소형 모듈식 원자로(SMR)
해당 문서 참조4.9.2. MMR
SMR이 Small Modular Reactor라면, MMR은 Micro Modular Reactor이다. SMR이 작아져도 그래도 어디 고정해놓고 써야하는 크기인데 반해, MMR의 경우 정말로 이동형 원자로, 전력원을 상정하고 개발하는 경우가 많다. 사실 위 주석에서 설명한 완전 자연대류 냉각형 소형모듈원전이 바로 MMR을 가리키는 것이며, 크기가 더 작아지면서 대략 1~10MWe 정도의 출력을 가진다. 그 운송편의성 때문에 MMR은 SMR에도 없는 사용처가 있는데, 바로 군용 발전기. 움직일 수 있으니 주둔지에 갖다놓고 쓸 수 있으며 뺄 때도 쉽게 철거할 수 있고, 안정적인 고출력과 싼 연료비, 그리고 원전답지 않은 안전성 때문에 기존 미군이 사용하던 군용 발전기를 대체하려고 미군에서도 관심을 가지고 있다고 알려져있다.5. 용도에 의한 종류
5.1. 우주용 원자로
사진은 미국이 개발한 SNAP-10A. 지구 대기권에 들어오면서 핵물질이 누출된 것으로 추정되며, 현재도 지구 궤도상에 머물러 있다.
현재 개발이 진행되는 물건 중 하나로, 미국과 러시아에서 연구가 많이 진행되었다. 실제로 두 나라는 가동되는 원자로를 인공위성에 실어서 발사한 전과도 있다. 발전방식은 원자력 전지와 마찬가지로 열전대 방식인데, 이건 원자력 전지보다 열을 더 많이 발산한다는 점이 있다.
현재 발사된 원자로는 약 40개로, 사진에서 보이는 SNAP-10A의 경우 43일만에 전기 부품 고장으로 실험 종료. 이외에도 US-A 인공위성이 원자로를 동력원으로 사용하였는데, 이게 잘못되어 3번 정도 지구대기권 안에 원자로가 들어온 경우도 있었다고 한다. 코스모스 위성 참조.
2010년대 후반부터 NASA에서는 우주용 소형 원자로를 다시 적극적으로 연구하고 있다. 작은 탐사선 정도는 태양전지나 원자력 전지로도 감당할 수 있지만, 기지를 건설하는 등의 본격적인 진출에는 출력이 부족하기 때문이다. 이름은 킬로파워(Kilopower)로, 열전대 방식을 쓰던 기존과는 달리 스털링 기관으로 발전을 한다. 발전 출력은 크기에 따라 1~10 kW 가량, 연료 수명은 12~15 년 가량이고 2020년 현재 기술 실증과 지상 테스트는 이미 마친 상태이다.
5.2. 사제 원자로
1994년 미국에서 데이비드 한(David Hahn)이란 꼬꼬마가 이글 보이스카우트 뱃지를 따내려고 주변에 있던 방사능 물질을 갖고 증식로를 만들 생각을 했다. 아메리슘은 화재 경보기에서, 토륨은 캠핑 랜턴에서, 트리튬은 조준기, 라듐은 야광시계에서 추출해냈다고.[23]이렇게 어찌저찌 해서 증식로를 만들었는데, 다행히도 연쇄반응은 안 일어났지만 자연 방사능의 1000배 정도의 방사능이 나왔다. 결국 미국은 개인은 원자로를 가질 수 없다! 는 법을 제정함과 동시에, 한의 집과 그 주변을 슈퍼펀드법으로 청소, 쓰레기는 유타산 저장소로 보냈다. 덕택에 데이비드 한은 방사능 보이스카우트란 별명을 받았고, 영문 위키피디아에도 항목이 개설되었다.
그 이후의 삶은 순탄치 않았는지, 2007년에 코카인에 손을 대기 시작했으며 처방받은 정신과 약을 안 먹은 상태로 아파트 화재 경보기 절도 미수[24]로 체포되어 찍힌 머그샷 (혐짤주의)을 보면 정말 심각한 상태로 보인다. 2016년 9월 27일 사망하였는데 사인은 피폭이 아니라, 디펜히드라민, 펜타닐이 알코올과 반응해서 급성 중독이 발생하였기 때문이다. 당시 혈중 알코올 농도 0.404%이었다고.
그 후 이런 다윈상감 멍청이가 안 나오는 줄 알았는데 2011년 8월 2일, 자기 집 부엌에다가 원자로를 설치한 스웨덴 사람이 경찰에 잡혀갔다.
대한민국의 경우 원자력안전법에 의해 방사성 동위원소 또는 방사선 발생장치를 생산·판매·사용(소지·취급 포함) 또는 이동사용하고자 하는 자는 대통령령이 정하는 바에 따라 원자력안전위원회의 허가를 받아야 하기에 사제 원자로를 만드는 순간 은팔찌를 획득하게 된다.
6. 천연 원자로
인간이 만들기 훨씬 오래 전, 자연 상태의 원자로가 존재했다는 연구 결과가 있다. 1970년대, 가봉 공화국 내 프랑스 소유 오클로 우라늄 광산의 샘플을 분석하던 프랑스 과학자들이 이상한 걸 발견했다. 다른 우라늄 광산에 비해서 235U가 턱없이 부족했던 것. 왜 하필 이곳만 235U가 부족할까 해서 연구[25]하면서 네오디뮴 지문을 확인한 결과, 자연스런 환경에서 존재하는 네오디뮴이 아닌 핵분열 시 나오는 종류의 네오디뮴으로 확인되어 이곳에 천연 원자로가 있었다고 결론을 냈다. 일했던 광부들은 그들 덕택에 프랑스의 TGV가 구동할 수 있었다고 농담삼아 말하곤 했다고.기원전 45억~5억년 시대인 선캄브리아기 당시, 235U의 농도는 현재 경수로에서 사용되는 235U 의 농도와 같은 3%정도였다고 한다. 이런 우라늄이 많이 모여있는 지대에 물이 고이고 이 물이 감속재 역할을 하여 원자로가 가동되었다고 한다. 또한 임계반응이 심해지게 되면 열로 인해서 물이 증발되어 출력이 감소되었다고 한다. 가동(?) 기간을 따져보니 최대 64만 년~최소 58만 년[26]에다가 총 출력은 1000MWe급 원자력발전소에 위치한 원자로 5기를 1년 동안 풀 가동시키는 것과 같다고 한다. 실제로 지구의 지각운동이나 지열을 유지시키는 건 이런 방사성동위원소의 붕괴열이다. 아무튼 그래서 이 천연 원자로는 ‘선캄브리아기의 천연 원자로’로 불렸다.
넓게 보면 우주의 항성도 천연 원자로이다. 핵분열을 사용하는 거의 모든 현대 원자로와 달리 핵융합을 사용하는 게 차이점이지만.
7. 연료의 농축도
원자로에 들어가는 우라늄은 천연우라늄을 사용하거나 혹은 농축을 하게 된다. 천연우라늄을 사용하는 원자로들은 핵무기 제작용 플루토늄을 만들 가능성이 높다. 예를 들어 같은 천연우라늄을 사용하는 RBMK와 Magnox의 경우엔 기원이 군사용 원자로를 전력생산용으로 고쳐서 나온 물건이고, 캐나다에서 개발한 CANDU[27]라는 중수로는 인도에서 가져다가 플루토늄 만드는데 사용되었다. 왜냐하면, 이런 원자로의 장점 중에 운전 중 연료 교환[28]이란 것이 있기 때문. 이런 장점은 플루토늄을 뽑아내기에 딱 좋은 장점과 더불어 원자로를 더욱 효율성 있게 돌릴 수 있다.[29]일반적인 경수로에서는 농축 우라늄을 4.5% 정도로 사용[30]하며, 더 높은 농축비율을 가진 원자로도 있다. 예를 들어 대한민국에서 사용하는 연구용 원자로인 HANARO의 경우엔 235U 의 농축도가 19.75%이며, 저 위의 우주용 원자로의 경우, US-A 등에 쓰인 TOPAZ도 90%를 찍었다. 이것도 발사하는데 출력 대 크기비율이 작을수록 유리하기 때문에…
잠수함이나 선박에서 사용하는 연료의 농축도 역시 일반 원자로 보다 높아 미국 원자력 잠수함에서 사용하는 연료 농축도는 무기급인 93~99%[31]이며, 러시아의 쇄빙선용 가압경수로와 화물선용 원자로 연료도 우라늄 농축도 90%를 자랑한다! 왜냐하면 선박용의 경우엔 될 수 있는 한 출력대 크기 비율이 작을수록 유리하기에 연료의 출력밀도를 높일 수밖에 없으며, 우라늄 농축도가 높으면 높을수록 연료 재장전을 덜 받으러 다녀도 되기 때문이다. 때문에 핵잠수함용이나 핵추진 항공모함용 원자로는 대부분 배를 처음 건조할 때 원자로에 장착한 핵연료를 한번도 연료교체를 하지 않고 30년 후 배가 수명이 다해 퇴역할 때까지 쓰는 경우가 많다. 연료를 교체하려면 잠수함을 반으로 갈라서 원자로를 연료와 함께 통째로 갈아야 해서 매우 번거로운 일이라 아예 처음부터 원자로에 30년치 연료를 장착해 다니는 것. 그래서 연료부피를 줄이려고 고농축 우라늄을 쓴다.
반면 러시아 핵잠수함과 프랑스 핵잠수함은 30~50%로 농축된 연료를 사용[32]한다. 다른국가의 원자력 잠수함들도 대체로 이 정도 등급에서 놀 가능성이 있다. 연료교체 할 때 선체를 뜯어 내는 오버홀을 해야하는 단점이 있으나 어차피 선박이 수명이 다하기전엔 서너번 오버홀이 진행되기 때문에 현재는 그리 큰 단점으로 여겨지지 않는다. 또한 최근 설계되는 저농축 우라늄 원자로 선박은 연료봉 교체를 선박을 분해 할필요 없이 쉽게 가능하게 구조적으로 설계해 그런 단점을 최소화 하기도 한다.
이런 점이 합쳐져 핵무기 보유국은 원자력 잠수함을 보유할 수 있게 된다. 모르겠다면 간단하게 북한의 원심분리기 떡밥을 생각해보자. 대한민국에서 원자력 잠수함을 보유한다고 설레발을 쳐도 현재 발전용 원자로 연료 농축도 대한민국이 옐로케이크를 사다 해외에 위탁하는데, 그렇게 농축도가 큰 연료를 문제없이 잘 사올 수 있을까?[33]
예전에는 우라늄을 농축하는데 가스확산법[34]을 썼는데 매우 느린 과정이고 시설도 거대하고 비싸고 에너지도 많이 들어 농축에 많은 비용이 들었다. 그래서 농축우라늄은 매우 비싼 연료였고 생산 시간도 길었다. 초창기 우라늄 원자폭탄 한 발당 생산 시간이 상당히 길었던 것도 이것 때문. 하지만 원통형 초고속 원심분리기를 이용해 고속으로 농축하는 방법이 일반화되자 농축비용이 수십분의 1로 떨어졌다. 따라서 경수로에 주로 쓰이는 저농축우라늄의 가격이 크게 폭락했고 이것이 원자력 산업 경제성에 큰 영향을 주게 되었다. 이로 인해 연료비가 싼 것이 장점이던 중수로나 고속증식로는 사실상 설 자리를 잃어버리게 된다. 그래서 원자력 연구개발의 방향도 더 값싼 핵연료를 쓰거나 핵연료를 효율적으로 쓰는 것보다는 건설단가가 적게들고 더 안전하고 폐기물 처리가 쉬운 쪽으로 돌아섰다.
또 발전용 경수로도 주로 4.5% 정도의 낮은 농축도의 핵연료를 썼지만 이제 농축비용이 획기적으로 줄어들어 19% 정도의 비교적 높은 농축도의 핵연료(HALEU, High assy low enreiched uranum) 를 쓰는 것이 더 경제적이 되었다. 핵연료의 농축도를 높이면 그만큼 원자로 노심의 크기가 작아져도 되고 또 연료교체주기도 길어져서 설계상 운영상 이득이 크다. 고농도이므로 핵연료를 교체해야 할 때 까지 핵연료 소모율(=연소율) 도 올라간다. 분열성 연료인 우라늄235 대비 남은 비분열성 우라늄238이나 플로토늄도 적어져서 사용후핵연료 즉 핵폐기물도 양이 획기적으로 줄어들어 보관의 부담도 적어진다. 다만 이런 장점이 있는 만큼 핵분열도 쉽게 일어나기 때문에 이에 맞게 현재 원전의 설계를 이에 맞게 크게 바꾸어야 하기 때문에 새로운 설계가 필요해 상용화가 어렵고 아직 상업적으로 19%의 HALEU 를 공급하는 업체도 없어서 군용 등 제한된 용도로 이용될 뿐이다. 미국에서는 상업적 HALEU 공장 건설에 착수하는 등 차세대 경수로로 유망하다.
8. 그 외
원자로를 돌리다보면 필연적으로 생겨나는 것이 방사성 폐기물이다. 원자로 운용의 최대 걸림돌이며 인류는 이 쓰레기를 어떻게 처리해야 할지를 놓고 고민하고 있다. 자세한 사항은 항목 참고.사실, 이것을 폐기하는 방법은 인류는 당연히 예전에 이미 개발했다. 사실 방법이라고 해봤자 최대한 방사선이 외부로 노출되지 않도록 조치하고 외부 세계와 완전히 격리시키는 것이다. 방사성 폐기물의 특성상, 안전해지기 위해서는 시간이 흘러 원자들이 다른 안전한 원자로 붕괴되길 기다릴 수밖에 없다. 다만, 이것을 폐기하는 데 아주 오래 걸린다는 것이다. 방사능 물질에는 각각 정해진 반감기가 있는데, 세슘(Cs)-137의 경우 30년이다. 즉 이 물질이 2kg에서 1kg으로 줄어들기 위해서는 30년이 걸린다는 소리이며, 인간이 무슨 짓을 해도 이 기간은 줄어들지 않는다. 게다가 60년이 지난다고 완전히 사라지는 것도 아니다. 1kg의 세슘 137은 30년이 지나면 500g으로 줄어들고, 이게 다시 250g으로 줄어드는 데에 30년 걸리고, 다시 30년이 지나면 125g… 이런 식이니 안전한 수준까지 줄어들기 위해서는 수백~수천 년의 시간이 걸린다. 그나마 세슘 137은 반감기가 아주 짧은 편에 속하는데도 이 모양이다.[35]
이런 물질이 있기에 인간들은 사용한 연료봉을 재활용해서 다시 써먹을 계획까지 짜고 있다. 사용한 연료봉엔 엄청난 방사능과 더불어 반감기가 죽여주는 놈들이 있는데, 이 처치곤란한 것들을 붕괴시켜서 다른 원소로 바꿔버리면서 전기도 생산하니 일석이조라는 논리. 이러한 계획 중 유명한 것으로는 DUPIC이 있는데, 이 계획은 일반 가압수형 원자로에서 사용한 사용후 연료봉을 다시 CANDU 원자로에서 사용하는 것이 골자로 가압수형 원자로의 경우 235U 의 비율이 2~3%, CANDU의 경우엔 천연우라늄을 넣어도 반응이 일어나니 이걸 이용한 것이다.
빌 게이츠가 원자력 발전을 옹호하면서 자신이 이사회 의장으로 있는 에너지 회사인 테라파워를 통해 도시바와 협력하여 열화우라늄[36]을 사용하는 차세대 원자로인 TWR을 개발하겠다고 선언했다. 이는 아프리카의 에너지 공급을 위한[37] 싸고 안전한 전기의 생산과 기후변화의 주범인 LNG가스 발전소 및 석탄 발전소의 이산화 탄소 배출량 감소를 위해서다.[38]
9. 참조
[1]
이런 군사용 원자로는 약간의 개량 뒤에 바로 발전소용 원자로로 변신했는데, 대부분 안전시설의 미비로 각종 사고를 일으켰다. 대표적인게
체르노빌 원자력 발전소에서 터진 RBMK, 영국의 Magnox가 있다.
[2]
참고로 노심의 방사선 수치는 3만 뢴트겐으로 300시버트에 육박하는 수치다.
[3]
중수와 구분짓기 위해 쓰는 표현인데 사실은 그냥
물이다.
[4]
수소의 동위원소로 원자핵에 중성자가 하나 더 달라붙은
중수소가 들어간 물.
[5]
원자의 융합시 가장 많은 에너지를 배출하는 것은 수소 융합이며, 그 중에서도 D-T 반응이 가장 일반적이다. 그 뒤에 따라오는 것이 D-D, D-He 등이다.
[6]
중성자와 원자핵이 특정한 반응을 할 확률. 단위는 cm^(-2)이며, barns, b라고 자주 쓴다.
[7]
중성자 단면적은 산란, 흡수, 분열의 따라 달라진다.
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사실 Pu-239의 생산(=재처리)과는 별개의 문제로, 플루토늄의 물성(=열팽창, 고방사성 환경에서의 피로 파괴, 인장 특성 등 재료적 특성)이 좋지 않아서 연료로 성형하고 장기간 운전하는 것이 우라늄 연료에 비해 좋지 않고 관련 연구도 우라늄 연료를 대체할만큼의 성과도 지원할 동기도 없는 상황이라 늦어지는 것이 크다. MOX 연료를 시험운전하고 있다는 국가들만 봐도
핵연료 재처리를 하고 있는 프랑스, 일본 정도이다.
[9]
정확히는 물의 수소
[10]
역시 정확히는 중수의 중수소
[11]
이는 위에서 설명했듯이 원자로라는 것이 결국에는 보일러고, 전기의 생산 자체는 물을 끓여서 증기터빈을 돌리는 것을 통해 이뤄지기 때문이다. 즉 대부분의 상업 원자로 설계는 결국에는 그 열이 핵연료에서 증기터빈에 연결된 물/증기로 이동하는 방식이며, 따라서 경수로와 중수로는 그 냉각 구조가 다양해질 여지가 있다. 다만 중수의 가격 등을 생각해 보면 중수로 중에 냉각제 및 감속재를 중수로 쓰면서 BWR인 설계는 존재하지 않는다.
[12]
이 놈도 물에 어느 정도 압력을 가한다.
[13]
기존의 몇백만 년 수준에서 몇백 년 수준으로 줄어든다
[14]
중국은 주로 석탄발전 위주라서 원자력 발전 기술이 뒤떨어진 편이었지만 최근 여러 기의 최신 원자력 발전소를 건설하고 있고 자갈바닥 원자로(pebble-bed reactor) 같은 4세대 원자로의 건설에 착수하는 등 차세대 원자력 기술 개발에도 적극적이다.
[15]
여기에는 선박을 추진하기 위한 에너지도 포함된다.
[16]
마그네슘 합금을 사용해서 마그녹스란 이름이 붙었다.
[17]
흔히
체르노빌 원자력 발전소의 RBMK 원자로가 이 형식이라고 알려져 있지만, 체르노빌은 아래 적힌 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로이다. 즉 냉각재는 경수이다.
[18]
BWR을 주력으로 삼았던
GE, 그리고 컨소시엄을 이뤄 일본 내 발전소 상당수를 수주한 히타치의 컨소시엄에서는 SMR을 포함하여 아직도 나름 BWR을 밀어주려고 하는 중.
[19]
아닌 게 아니라,
한울 원자력 본부 초창기에 세워진 원자로는
프랑스제이다. 미국 기술을 쓰지 않은 원자로에서 나오는 핵물질은
한미 원자력 협정의 적용을 받지 않고,
프랑스는
핵보유국이라는 사실을 토대로 추론해보면
박정희 정부의
의도를 어렵지 않게 짐작할 수 있다.
[20]
실제로는 우라늄 농축에 드는 비용보다 중수가 더 저렴했던 적이 없기에 진짜 이유는 우라늄 탄도를 뜯어서 핵연료로 팔고 아무도 플루토늄 추가 생산을 원하지 않는 시대가 된 것이 더 영향을 끼쳤다.
[21]
대한민국 경수로 기준 Kwh 당 53원~56원
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실제로는 한 번 감속재 안에 미리 연료를 장전해놓고 이 감속재+연료+알파인 집합체를 하나의 Batch 삼아 주기마다 통째로 재장전해주는 형태이다. 즉, 운전 중인 감속재 안에 구슬을 부어넣는 이미지는 아니다.
[23]
필요했던 원자력 관련 지식들은 정부에 교수 행세를 하며 편지를 보내 알아냈다고 한다.
[24]
화재경보기 내에 있는 아메리슘을 얻기 위한 행동이라고 한다.(...) 버리지 않은 원자로에 대한 꿈
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핵확산 문제도 여기에 한몫 했다.
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현재 진행형인 신생기 4기
홀로세 지질 시대가 지금껏 약 1만 년의 역사인데 그에 50배가 넘는 엄청난 기간이다.
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한국의
월성 1~4호기가 이 방식의 원자로이다.
[28]
이런류의 원자로는 연료봉과 연료봉 사이가 채널로 서로 구별되어 있다. 간단하게 보자면 하나의 노심이 수백 개의 작은 노심으로 합쳐졌다고 생각하면 편하다.
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이런 장점이 없는 원자로의 경우, 연료를 갈려면 원자로를 정지시켜 놓고 노심의 1/4를 갈아버린다. 또한 이렇게 연료를 개별적으로 갈아버리면 연료의 연소도를 맞추기가 매우 귀찮아진다. 그래서 일반 원자로처럼 한 번에 1/4씩 갈아버리기도 한다.
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경수는 중성자를 흡수하는 특성이 있어서, 농축을 해줘야 된다. 중수는 중성자를 경수보다 덜 흡수해서 천연우라늄을 집어넣어도 가동이 잘 된다.
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심지어 리틀보이의 농축도보다 높다. 리틀보이의 농축도는 80%다!
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그래도 20% 이상이면 무기전용 가능급으로 나뉜다.
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하지만 일본도 오래전에 원자력 쇄빙선을 띄웠다. 신 원자력 협정으로 재처리의 길이 열렸으니 가능할 수 있다.
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우라늄을 육불화우라늄 가스로 만들어 다공막 필터를 통과시켜 확산시켜 점차 농축도를 높이는 방법
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사실 반감기가 엄청나게 길면 오히려 더 안전한데, 방사능을 단기간에 많이 뿜어내지 않기 때문이다. 대표적으로 방사성 동위원소임에도 산업계에 다양하게 이용되는 루테튬-176 (반감기 377억 년)가 있다. 이 정도 길이의 반감기부터는 사실상 안정 동위체들과 동일하게 취급한다.
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현재 미국 내에 쌓여있는 열화우라늄은 미국 전체가 쓸 수 있는 전기를 125년 생산할 수 있을만큼 쌓여있다고 한다.
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개도국과 선진국 간 에너지 소모량도 꽤나 크다.
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상용화를 위해 현재 세계에서 가장 원전을 많이 짓고 있는 중국과 접촉하여 수년 간의 협의 끝에 계약을 체결했지만 미중 무역전쟁의 여파로 모든 계획이 멈춰있다고 한다.