[디지털비즈온 이호선 기자] MS의 빌 게이츠는 "저는 차세대 핵 개발을 축하하기 위해 미국 와이오밍에 있습니다." 라고 블로그를 통하여 5월 5일 발표했다.

빌 게이츠는 “그것은 Natrium 공장 이라고 불리며 2008년에 제가 시작한 회사인 테라파워(TerraPower)에서 설계했습니다. 잠재적으로 2030년에 세계에서 가장 발전된 원자력 시설이 될 것이며 훨씬 더 안전하고 멀리 생산할 것 입니다.” 라고 제 4세대 원자로 프로세스를 소개했다.

제4세대 원자로는 “안전성, 폐기물 최소화, 핵확산저항성 및 사회수용성 우려를 해결하면서 에너지 공급의 경제성과 신뢰성을 확보하여 인허가·건설·운전이 가능한 원자로” 로 정의된다.

제 1세대 또는 GENⅠ이라 분류되는 원자로는 1950년대에 영국의 풍부한 석탄자원을 기반으로 개발된 고온 개스로방식의 Magnox형 원전과 잠수함의 추진기관에 사용된 가압 경수방식을 응용한 Shipping port 원전을 필두로 상업 발전에 원자력이 이용되기 시작하였다.

제 2세대 GEN II는 1960년대 이후에 건설 운전된 발전소들을 가리킨다. 이때에 도입된 원전들이 현재 세계에서 운전되는 대부분의 원전들이다. 우리나라에서는 고리, 영광, 울진, 월성에 건설된 초기 원전들이 이 세대에 해당한다.

1990년대 중반 이후에 도입된 원전들을 제 3세대 GEN III라 부르기 시작하였다. 우리나라의 표준형원전인 KSNP(Korea Standard Nuclear Plant), 미국의 AP600, ABWR, System 80+ 등이 이에 해당한다.

◇제4세대 원자로 6개 분류

제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF, Gen IV International Forum)은 한국을 포함해 미국, 캐나다, 프랑스, 영국, 중국, 일본 등 14개국 원전 전문가들로 이뤄진 국제단체다.

2001년 설립된 4세대 원전 국제 협의체(GIF)는 전 세계 공모를 통해 130여 종의 미래형 원자로 후보를 모았다.

엄격한 기술 검토를 거쳐 소듐냉각고속로(SFR), 초고온가스로(VHTR), 납냉각고속로(LFR), 용융염원자로(MSR), 초임계압수냉각로(SCWR), 가스냉각고속로(GFR) 등 6개 원자로를 4세대로 규정했다.

소듐냉각고속로(SFR, Sodium-cooled Fast Reactor)의 핵심기술은 대용량 Pool형과 Loop형 및 소용량 모듈개념의 원자로와 혼합연료(MOX)와 금속연료(Metal) 등이다.

초고온가스로(VHTR, Very High Temperature Gas-cooled Reactor)는 에너지전환효율을 극대화하기 위해 초고온(900~1,000℃) 운전환경, Pebble형 또는 Block형 원자로, 3겹 피복의 핵연료가 핵심기술이다.

납냉각고속로(LFR, Lead-cooled Fast Reactor)는 납(Pb) 또는 납혼합물질(Pb-Bi등)을 냉각재로 사용하는 원자로 기술이며 SFR과 유사한 기술 외에 냉각재 부식문제 방지가 연구개발 핵심대상이다.

가스냉각고속로(GFR, Gas-cooled Fast Reactor)는 헬륨(He) 가스를 냉각재로 사용한다. 냉각재 상실사고 시 잔열제거기술, 핵연료 관련기술, 기기 및 시스템 기술 등이 연구개발 핵심대상이다.

초임계압수냉각로(SCWR, Supercritical-water-cooled Reactor)는 열역학적으로 임계점(374℃, 22.1MPa) 이상의 H2O를 냉각재로 사용하는 원자로(고속로 또는 열원자로)로 초임계 상태에서는 狀변화가 되지 않으므로 효율이 우수해진다. 열전달, 부식 문제, 재료 건전성 등에 관한 R&D의 핵심이 되고 있다.

용융염로(MSR, Molten Salt Reactor)는 핵분열성 핵연료 물질을 냉각재인 염에 녹인 용융염 개념의 원자로임. 용융염에 의한 부식, 핵연료 기술, 안전 이슈, 사용후 염의 처리 등이 핵심기술이다.

◇소듐냉각고속로(SFR)의 기본원리

2001년부터 한국은 주요 원자력 선진국 중심으로 결성된 ‘제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF, Generation IV International Forum)2)’에 참여하여 국제공동연구 수행을 위해, 국내 소각용 SFR 기술을 전력생산용 장주기 고속로 기술로 전환하여 해외 소형 모듈원자로(SMR, Small Modular Reactor) 시장에 진출하기 위한 기술 개발 중이다.

소듐냉각고속로(SFR, Sodium-cooled Fast Reactor)의 기본 원리는 알칼리금속 계열인 액체 소듐(Sodium)을 냉각재로 사용하고 경수로에 비해 높은 에너지를 갖는 중성자(고속중성자)의 핵분열 반응을 이용하는 '미래형 선진 원자로' 이다.

대기압 조건에서의 고온(500~550℃) 운전을 통해 경수로에 비해 높은 열효율 달성이가능하고, 금속연료 사용으로 높은 수준의 고유안전성 확보가 가능하다.

소듐 냉각재 환경에서 고속중성자를 이용하여 사용후핵연료에 포함된 고독성 장수명 핵종을 핵분열시켜 단수명 또는 안정된 핵종으로의 변환에 용이하다.

고속로를 사용하는 닫힌 핵연료주기(Closed fuel cycle)를 통해 경수로 사용후핵연료를 핵변환시킬 경우 악티나이드 폐기물의 방사성 독성이 획기적으로 감소 가능하며, 사용후핵연료에 포함된 고독성·장수명 핵종3)을 높은 에너지의 고속중성자에 의한 핵종 변환 원리에 의해 SFR에서 소각함으로써 고준위 방폐물의 독성 및 처분면적은 적다.

◇한국형 SFR 개발 계획

국내에서도 1997년부터 소듐냉각고속로를 연구해 2020년 개발을 완료했다. 다만 전기 생산용이 아니라 가동 원전에서 나오는 사용후핵연료를 태워 없애기 위한 소각용으로 설계됐다.

2021년 4월부터 과학기술정보통신부에서 300억 원을 지원받아 소각용으로 개발한 소듐냉각고속로를 발전용으로 전환한 4세대 원자로인 ‘살루스(SALUS)’ 연구도 시작했다.

MSR은 세계적으로 개발 초기 단계다. 국내에서는 원자력연이 삼성중공업과 선박 전원을 MSR로 공급하기 위한 연구를 막 시작했다. 김성중 한양대 원자력공학과 교수도 자율운전형 MSR을 위한 기초연구를 진행 중이다.

현대엔지니어링, 세계 최초 4세대 초소형모듈원전(MMR) 사업 본격 추진한다고 2022년 6월 밝혔다. 현대엔지니어링은 미국 USNC社와 「캐나다 초크리버 MMR 실증사업」 상세설계 계약을 체결했다.

SK그룹은 원자력 발전소용 소형 모듈 원자로(SMR)를 개발하고 억만장자 빌 게이츠가 설립한 테라파워(TerraPower)에 2억 5천만 달러를 투자한다고 2022년 8월에 발표했다.

테라파워의 Natrium SFR 기술은 고속 중성자에 의해 발생하는 핵분열에서 방출되는 열을 액체 나트륨 냉각제로 전달하는 동안 증기가 생성되어 전기를 생산하는 데 사용되며, 4세대 원자력 기술은 현재 사용 중인 이전 세대 원자로에 비해 안전성과 경제성이 크게 향상됐다고 전문가 들은 내다봤다.

김성중 한양대 원자력공학과 교수도 자율운전형 MSR를 위한 기초연구를 진행 중이다. 임채영 원자력연 혁신원자력시스템연구소장은 “테라파워를 시작으로 2030년대 중반에는 4세대 원자로를 300MW 이하 소형모듈원자로(SMR)로 짓는 차세대 원전 시장이 열릴 것”이라고 전망했다.