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2000년대 초반 신형안전로와 고속증식로가 실용화되고 곧이어 핵융합발전소도 등장할 것으로 전망된다.

차세대 원자로를 이해하기 위해서 우선 현재 우리가 쓰고 있는 원자로는 어떤 것인가를 알고 그 다음에 차세대 원자로를 설명하는 것이 순서일 것이다. 그러나 독자 여러분 중에는 원자력발전소에 대한 이해가 그리 많지 않은 분도 있으리라 생각되어 이해하기 쉬운 어떤 상황을 비유하여 설명코자 한다.

TV에서 '전격 Z작전'이란 프로그램을 보면 항상 주인공과 같이 다니는 최신형 전자조종자동차가 등장한다. 물론 현재로서는 가상이지만 이러한 자동차가 등장한다면 매우 편리하리라 생각된다. 현재의 원자로를 지금 우리가 쓰고 있는 자동차라 한다면 차세대 원자로란 이 TV 프로그램에 나오는 전자조종자동차에 비유할 수 있다.

자동차 사고의 원인은 도로사정, 부품의 결함, 난폭운전, 법규위반 등 여러가지 있을수 있지만 그중 인적 요인인 법규의 위반, 난폭운전이 가장 비율이 높다. 이는 사람의 손에 의해 확보되는 안전에는 한계가 있으며 할 수만 있다면 자동화 설비를 동원하는 것이 바람직 하다는 사실을 의미한다.
 

원전의 비상장치

원자력발전은 물질을 구성하고 있는 원소의 핵분열 현상(우라늄 235의 핵분열)을 이용하여 소량의 자원으로부터 막대한 열량(우라늄 235 1g으로부터 얻을 수 있는 열량은 석탄 3t으로부터 얻는 열량과 같다)을 얻을수 있는 매우 소중한 자원이며 공학적으로 실용화되고 있는 원자로의 구조는 (그림2)와 같다. (그림2)는 1백만㎾급 원자로의 단면인데 농축도 2~4％의 핵연료 약 60t을 내장하고 있으며 시간당 1백만 ㎾의 전력을 생산할 수 있다. 여기에서 농축도란 핵연료내의 우라늄 235의 농도를 나타낸다.

핵분열에 의해 생성된 열은 물에 의해 순환 냉각되며 증기발생기 2차측으로 열을 전달하고 여기서 발생한 증기로 터빈 발전기를 구동하여 전기를 발생하게 된다(그림1).

(그림2)에서 소개한 1백만㎾급 원자로의 크기는 반경 2.1m, 높이 14.4m이며 이에 내장되어 있는 핵연료의 체적은 반경 1.6m, 높이 3.8m로서 약 31㎥이다. 우리가 1백만㎾급 원자로라 할때 이는 전기출력을 의미하며 따라서 원자력발전소의 열효율을 고려한다면 원자로내에서 생성되는 열의 양은 2백82만㎾의 막대한 양이다.

이러한 구조상의 내용을 강조하는 이유는 원자로는 매우 작은 용기내에서 많은 열을 발생시키는 고출력 밀도의 발열장치이므로 첫째 핵분열 현상을 적절히 제어하지 못할 경우 핵연료 용융이 일어날 수 있으며, 둘째 발생된 열을 적절히 2차측으로 제거하여 원자로를 일정한 수준의 온도 이하로 유지하지 못할 경우 또한 핵연료 용융이 일어날 수 있다.

따라서 원자력발전소에서의 근본적인 안전문제는 원자로의 비상정지기능과 원자로의 비상냉각기능이라 말할 수 있다. 방사능의 방출문제가 원자력발전소에서의 가장 중요한 안전문제가 아닌가 하고 생각할 수도 있으나 방사능의 방출은 우선 1차 방호벽을 형성하고 있는 핵연료 피복재의 파손이 발생했다는 전제하에 2차 또는 3차 방호벽에도 문제가 있을 경우 외부로 방사성 물질 누설이 가능해진다. 기술적 관점에서의 안전문제는 원자로의 비상정지기능과 비상냉각기능을 확보하여 핵연료 피복재의 파손 또는 노심용융을 방지할 수 있어야만 근원적 해결책을 마련했다 할 수 있다.

현재 사용하고 있는 원자로에서는 이러한 비상정지기능과 비상냉각기능의 확보에 동력 의존형 기기를 사용하고 있다. 여기에서 동력이라 함은 전원 또는 압축공기 등을 의미한다.

원자로에 어떤 이상상태가 발생했을 경우 계측제어설비에 의해 감지되고 동력에 의해 동작하는 보조기기가 작동하며 제어봉(핵분열을 조종하는 봉)은 원자로 안으로 자연 낙하한다.

비상냉각이 필요한 경우에는 전원 또는 압축공기에 의해 동작하는 기기의 도움으로 비상냉각수가 원자로내로 주입된다.

그동안의 사용실적으로 보아 이러한 설비의 신뢰도는 비교적 높다고 할 수 있으나 동력의존형기기의 사용에는 다음과 같은 점들이 문제점으로 지적됐다. 첫째 동력의존형 기기의 구동에 필요한 전원 및 압축공기가 항상 확보되어 있어야 한다. 둘째 동력의존형 기기의 대부분은 자동제어설비에 의해 작동되지만 불가피하게 운전원의 보조적인 조치가 필요하다. 셋째 동작하는 기기는 항상 완전무결한 것이 아니기 때문에 고장의 가능성에 대비하여 다중성을 확보해야 한다. 여기에서 운전원의 조치란 사람의 손에 의해 원전 안전성이 보완되고 있다는 의미인데 이를 배제할 수 있다면 그것이 최선이라 판단된다.

 

신형안전로와 고유안전로

차세대 원자로에서는 위에서 설명한 안전기능의 확보에 동력의존형 기기의 사용 또는 운전원의 역할을 최소화하려는 연구개발이 이루어지고 있다.

일반적으로 차세대 원자로는 신형안전로(passive reactor)와 고유안전로(inherent reactor)가 있다. 신형안전로에서는 주로 비상냉각계통의 개선에 주력하고 있으며 고유안전로에서는 비상냉각계통과 비상정지계통 모두를 개선대상으로 하고 있다.

신형안전로에서 주로 비상냉각계통의 개선에 주력하는 이유는 현재 사용하고 있는 비상정지 계통이 자연낙하를 이용한 간편한 설비로 특별한 문제점이 없다고 판단되는 반면 비상냉각관련 계통은 원자력발전소 설비의 약 50％이상을 차지하는 방대한 설비로 이의 동작에는 많은 운전원의 조치를 필요로 하기 때문이다.

그렇다면 고유안전로에서는 왜 비상정지계통까지도 개선하려 하는 것일까. 공학적으로 앞으로도 많은 논의가 있으리라 예상되지만, 개선하려는 주안점은 주로 고의적 오조작에 대한 방비책이다. 만일 원자로 비상정지 계통이 완전히 자연현상에만 의존한다면 고의적인 오조작이 불가능하기 때문이다.

그러면 차세대 원자로에서 채택하는 여러가지 개념을 소개해 보기로 한다.

■비상냉각계통/거대한 물탱크에 담그기도
비상냉각계통의 개선에 고려되고 있는 개념중 풀(pool, 수조)개념을 채택하려는 연구개발 노력이 있다. 이는 (그림2)의 원자로를 포함한 전체 1차 냉각계통을 거대한 수조내에 내장시키는 방법이다.

이렇게 한다면 원자로에 이상상태가 발생했을 경우 운전원이 아무런 조치를 취하지 않더라도 수조내의 물에 의해 원자로를 장기간 냉각시킬 수 있다. 그러나 원자로는 일반적으로 약 1백50기압 수준으로 운전되고 있어 이러한 압력에 견디면서 원자로 1차계통을 내장할 수 있는 거대한 압력용기를 제작한다는 것은 기술적으로 매우 어려운 문제이므로 대안으로 원자로를 소형으로 만드는 방법이 있다.

또 한가지 방법은 탱크에 물을 저장했다가 중력에 의해 주입하는 방법이다. 원자로내의 냉각수가 어떤 원인으로 누설된다면 상부에 위치해 있는 물 탱크로부터 중력에 의해 물이 공급됨으로써 원자로를 냉각시킬 수 있다.

또다른 방법으로는 원자로 용기의 표면냉각(surface heat transfer) 방법을 이용하는 것이다. 원자로 표면 주위에 있는 대기(air)의 순환만으로 원자로를 냉각시키는 방법으로 아무런 조치를 취하지 않아도 원자로를 냉각 시킬 수 있다. 그러나 표면온도차이를 적게 하기 위해 원자로는 소형으로 만들어야 하며 표면냉각 과정중 원자로 내부가 손상되지 않는다는 실증실험이 필요하다.

■비상정지 계통/자석이나 밀도차 이용
비상정지계통에 관한 연구는 △CPM 방식 △부반응도 효과 △밀도막 원리를 이용하는 방식 등 세가지 방향으로 진행되고 있다.

CPM(Curie Point Magnet)은 자석이 열을 받으면 자성을 잃어버린다는 특성을 비상정지 계통에 이용하고자 하는 방법이다. 원자로 제어봉은 정상적으로 원자로 상부에 지지되어 있다(그림2). 만일 비상시 구동장치의 고장으로 인해 제어봉이 구동장치로부터 이탈하지 못한다면 비상정지에 실패할 수가 있다. 그러나 CPM으로 지지하고 있다면 원자로의 온도가 올라갈 때 자석의 특성으로 인해 항상 제어봉의 낙하가 가능하여 비상정지가 가능해 질 것이다.

단위 핵분열당 발생되는 중성자의 수는 약 2.4개인데 이중 약 1.4개는 원자로내의 각종 재질 및 제어봉에 흡수되고 1개 정도가 연쇄반응에 다시 사용된다. 여기에서 원자로는 일반적으로 온도가 올라가게 되면 연쇄반응을 일으켜야 할 1개의 중성자가 다소 감소하는 현상을 나타낸다.

이 현상을 부반응도효과(negative temp.coefficient)라 하며 이를 최대한 활용한다면 원자로는 일정수준 이상의 온도에 도달할 경우 항상 저절로 출력이 낮아지게 된다. 만일 원자로를 이와같이 설계한다면 운전원의 실수에 의해 원자로 출력이 폭주하더라도 물리적현상에 의해 이를 방지할 수가 있을 것이다.

밀도막(density lock)의 원리는 밀도가 다른 두 물질 사이에는 경계막이 형성될 수 있다는 원리를 이용한 것이다. 이는 마치 수면위에 물안개가 끼어 있는 상황을 연상해 보면 편리하다. 수면위의 물안개와 수면을 구성하고 있는 물 모두가 같은 물이지만 물과 안개의 밀도차이에 의해 경계면이 형성되며 바람이 불면 물안개만이 이동한다.

이 원리를 이용하여 (그림3)의 비상정지 개념을 설명해 보자. 수조내의 냉각수는 50℃이고, 1차계통은 2백50℃이면 1차계통은 물안개에 해당하여 정상시는 펌프로 1차계통수만의 순환이 이루어지게 된다. 그러나 비상시 1차계통수가 순환될 수 없게 된다면 밀도막을 통해 수조의 냉각수가 원자로내로 자연 순환된다. 이때 수조의 냉각수가 중성자흡수물질(neutron absorber)을 함유하고 있다면 운전원의 개입없이 원자로는 자동정지하게 된다. 즉 자연적 물리현상 만으로 원자로의 비상정지가 가능해진다.
 

2000년대 초반 실용화

지금까지 차세대 원자로의 설계개념을 현재의 원자로와 비교하여 어디에 차이점이 있는가를 중심으로 하여 설명했다. 그렇다면 이렇게 하여 우리가 얻을 수 있는 효과는 무엇인가.

우선 차세대 원자로는 안전성 확보를 현재의 동력의존형 기기로부터 자연적 물리현상을 활용하는 방향으로 전환하여 인간에 의해 실수나 오동작을 최소화한다. 아울러 자연적 물리현상을 이용함으로써 설비의 단순화가 가능하며 이를 최적화 시킬 경우 성능 및 경제성을 혁신적으로 개선할 수 있다고 판단된다.

현재 세계 각국에서 제시되고 있는 차세대 원자로의 예상 특성은 (표1)과 같다. 세계 각국은 앞에서 설명한 여러가지 개념을 이용하여 차세대 원자로 개발에 박차를 가하고 있으며 이 기술의 보유여부는 2000년대 선진국간의 기술우위 확보에 지대한 영향을 미칠 것으로 생각된다.

그러나 아직까지 상용화된 원자로는 없으며 일부 상세설계 단계에 와 있다. 원자력발전소의 상용화는 국민의 안전보호를 위해 항상 실험에 의하여 이론을 검증 확인해야하며 실제운전을 통해 그 안전성을 확인해야 한다. 현재 세계적으로 일부 상세설계단계에 와 있는 원자로가 1995년경 설계가 완료된다면 2000년까지 신형안전로1기의 건설이 가능하리라 전망된다. 우리나라의 경우 2000년대 초반에 신형안전로의 건설이 가능하리라 예상되며 고유안전로는 이보다 약 10년의 격차가 있으리라 예상된다.

지금까지 2000년대 초반 상용화가 가능하리라 예상되는 신형로(신형안전로, 고유안전로)의 설계개념을 중심으로 차세대 원자로를 소개했다. 그러나 보다 장기적으로 보면 '꿈의 원전'으로 불리는 고속증식로와 핵융합로의 출현도 가능하리라 예상된다. 또 현재로부터 신형로가 상용화 되기까지 어떤 노형이 사용될것인가 하는 점도 관심이 큰 분야다.

우리나라의 경우 지금부터 2050년경까지를 전망해 본다면 노형은 개량형경수로→신형안전로→고속증식로→핵융합로 순으로 발전해 나가리라 예상된다.
 

■개량형 경수로/한국형 표준원전
개량형 경수로의 설계개념은 이미 소개한 기존 원자로의 설계개념과 동일하다. 다시 말해 비상정지기능과 비상냉각기능에 동력의존형 기기가 계속 사용된다. 우리나라의 경우 이와같은 개념하에 그동안 국내외에서 얻어진 원전 운전과정중의 경험사항을 최대한 반영한 경수로 개발을 계획하고 있다.

원자력발전소가 발주되어 설계가 이루어지고 제작이 완료되어 기기가 납품되는 과정을 살펴보면 주문제작의 성격을 띠고 있다. 그러나 주문제작이란 제작되는 기기의 수량이 매우 적기 때문에 가격이 매우 높다. 따라서 각국에서는 표준화를 추진하여 비슷한 원전을 여러 개 건설해 값을 낮추고 아울러 안전성도 향상시키고자 노력하고 있다. 우리나라에서도 이러한 노력이 진행되고 있으며 이러한 표준화 노형을 한국형 표준원자로라고 부르고 있다.

차세대 원자로는 안전기능 확보에 자연적 물리현상을 이용함으로써 설비를 단순화하고 운전 편의를 확보해 주는데 비해 개량형경수로(한국형표준원자로)에서는 이 문제를 어떤 방법으로 해결하고자 하는가. 개량형경수로에서는 최첨단 전자계측제어설비를 적용하여 설비를 최대한 자동화하고 기기의 용량결정에 있어 충분한 여유를 확보하여 과도상태시의 민감도를 완화시킬 예정이다. 한국형 표준원전과 차세대 원자로의 설계특성을 간단히 비교해 보면 (표2)와 같다. 한국형 표준원전은 세대 원자로가 상용화 될 때까지 우리나라 원전의 주종을 이룰것으로 예상된다.
 

■고속증식로/우라늄 활용도 60배 증가
자연상태에 존재하는 우라늄중 약 0.7％가 기존 원자로의 연료로 사용되는 우라늄 235이며, 나머지 99.3％는 우라늄 238이다. 따라서 우라늄 235를 계속 사용하는 경우 석유와 마찬가지로 사용가능량은 한계에 이르게 된다. 따라서 우라늄 238의 이용문제가 대두되었다. 기술적으로 우라늄 238에 고속 중성자를 흡수시켜 핵분열 물질인 플루토늄(Pu) 239로 전환시키면 우라늄 238의 사용이 가능해진다. 이 과정은 (그림4)에 잘 설명되어 있다. 이때 소모된 핵연료보다 생성된 플루토늄 239의 양이 더 많으므로 증식이라 한다. 또 기존의 원자로에서는 우라늄 235의 핵분열을 위해 저속의 중성자(열중성자)를 사용하나 고속증식로에서는 우라늄 235를 핵분열이 가능한 물질인 플루토늄 239로 전환시키기 위해 고속의 중성자를 사용하여야 하므로 고속이란 용어를 사용한다.

이러한 원리를 이용하여 발전설비를 이용하는 개념은 기존의 원자력발전소와 유사하다(그림4). 고속증식로는 핵분열시 발생되는 고속의 중성자를 그대로 사용하므로 중성자의 감속이 이루어지지 않은 나트륨(Na)을 냉각재로 사용하고 있다. 따라서 고속증식로의 상용화를 위해서 핵분열 현상 이외에도 Na 냉각재에 대한 연구개발이 이루어져야 한다.

세계적으로 고속증식로의 개발은 프랑스의 슈퍼피닉스(1백24만 ㎾)가 운전되는 공학적 이용단계에 있으나, 기존 원자로보다 건설 및 운전비용이 높아 상용화되지 못하고 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 유럽에서는 전력업체들이 공동으로 1백50만㎾ 급 고속증식로를 추진하고 있고 미국 일본 등도 고속증식로를 설계하고 있어 2020년경에 상용화가 예상된다.
 

■핵융합 에너지/1백억년 쓸 수 있는 「꿈의 에너지」
지구상의 모든 물리현상을 일으키는 원초적인 에너지는 태양으로부터 공급되고 이 에너지는 태양의 중심부에서 가벼운 원자들이 조금씩 핵융합 반응을 일으켜 생산되고 있음이 판명되었다. 핵융합이란 가벼운 핵들이 서로 만나 하나의 보다 무거운 핵으로 되는 현상인데 이 과정에서 핵분열과 마찬가지로 질량 결손이 생겨 에너지를 발생하는 것이다.

태양에서는 4개의 수소핵이 모여 융합을 일으키는 H-H 반응이 발생하나 지구에서는 수소 밀도가 태양처럼 높지 않으므로 중수소(D)끼리의 융합인 D-D 반응이 일어나기 쉽다. 중수소 1g이 핵융합되면 석탄 약 4t 연소시 발생되는 열량을 발생한다. 지구상에 존재하는 중수소를 다 사용하면 약 1백억년 동안 쓸 수 있는 에너지를 얻을 수 있으며 중수소는 바닷물 1t에 1백50g 정도가 존재하고 있다. 핵융합 반응을 일으키기 위해서 핵과 핵을 충돌시켜야 하는데 지구상에 존재하는 원자는 핵과 전자로 구성되어 매우 안전한 구조를 하고 있다. 따라서 원자를 플라즈마(핵과 전자가 분리된 상태)로 만들어야 하는데 이때 필요한 온도는 수만℃가 필요하다. 그러나 핵은 (+)전기를 띠고 있어 핵들의 충돌시 척력이 작용하게 되므로 핵들의 척력을 이기고 핵융합을 일으키기 위하여 원자의 가열이 필요하다. 태양과 같은 중력이 높은 상태에서는 약 1천5백만℃ 수준에서 핵융합이 일어나지만 지구에서는 1억℃ 이상의 가열이 필요하다. 그러나 온도를 1억℃까지 올리는데 성공하더라도 플라즈마수가 충분히 많지 않으면 핵융합이 지속적으로 이루어지지 않으며, 핵융합에 의해 발생한 에너지가 다시 핵융합에 소요되지 않고 밖으로 빠져나가면 소용이 없으므로 에너지가 플라즈마내에 존재하는 시간(밀폐시간)이 충분히 길어야 한다. 이 두 변수의 곱을 반응출력이라 하며 ${10}^{14}$n·sec/㎤ 이상되어야 한다(n은 플라즈마 갯수). 즉 온도 1억℃, 반응출력 ${10}^{14}$n·sec/㎤를 동시에 만족하였을때 비로소 핵융합이 지속적으로 일어나게 된다.

공학적으로는 플라즈마 온도 1억℃, 또는 반응출력 ${10}^{14}$n·sec/㎤가 각각 분리된 상태에서 달성한 바 있다. 두 조건을 동시에 충족시킬 수 있는 반응은 현재 연구중으로 2050년 경에는 상용화가 가능하리라 전망된다.