■ 잠수함. 쇄빙선에 활용할 초소형 원자로 만든다.

■ 잠수함. 쇄빙선에 활용할 초소형 원자로 만든다.

 

● 납 비스무트 4세대 초소형 원자로, 원전 산업 신시장으로 진출한다.

 

★ 우리나라에서 ‘초소형 원자로’ 개발이 시작됐다. 거대한 원자력 발전이 아닌 ‘맞춤형 원자로’ 개발이어서 눈길이 쏠린다. 문재인 정부의 ‘초소형 원자로’는 원전 산업이 새로운 시장으로 진출할 가능성을 열었다는 측면에서 관심이 집중된다. ‘초소형 원자로’는 안전하고 평화적 친환경 조선. 해양 시대를 여는 데 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 이와 관련된 연구단이 2019년 06월 27일 울산에서 출범했다. 연구단은 납. 비스무스 액체로 냉각되는 4세대 초소형 원자로 개발에 나선다. 이렇게 개발된 원자로는 최장 40년 동안 핵연료 교체 없이 약 20메가와트(MWe) 규모의 출력을 발생시킬 것으로 기대된다. 이 규모는 40년 수명의 쇄빙 연구선 추진 동력으로 충분하다. 나아가 부유식 발전으로 인구 20만 명이 사는 섬의 필요 전력을 공급할 수 있는 수준을 목표로 하고 있다.

 

★ 울산과학기술원(UNIST) 연구단은 초소형 원자로를 조선. 해양 분야에 적극 활용할 계획이다. 특히 기대를 모으는 분야는 쇄빙선이다. 우리나라는 현재 남북극 연구 활동을 위한 쇄빙선, 아라온(ARAON) 호를 운영하고 있다. 제2 쇄빙선을 만들 계획도 추진 중이다. ‘초소형 원자로’는 극지를 탐사하고. 항해하는 쇄빙선에 강력한 출력을 통해 안정적 운항을 도울 수 있다. 납. 비스무스 액체를 이용한 첨단 냉각 기술을 적용한 초소형 원자로는 안전 문제도 해결할 수 있다. 4세대 기술을 기반으로 한 원자로는 쇄빙선 충격을 견딜 수 있는 안전한 구조를 갖출 수 있다. 침몰 등 해양 사고가 발생하더라도 냉각재가 자연스럽게 고체화되어 방사능 유출을 원천적으로 차단한다. 연구단은 연구의 평화적 이용에 대해 서약도 했다. 실제 선박에 적용될 원자로는 소형이기 때문에 바로 수용 용기에 저장하여 재활용하거나 폐기할 수 있다. 원자력의 고질적 문제인 고준위 폐기물 문제에서 벗어난다. 기존 선박용 원전의 잦은 핵연료 교체와 방출된 사용후 핵연료로부터 발생하는 핵안보 문제도 원천적으로 차단한다.

 

★ 울산과학기술원(UNIST)은 2019년 06월 27일 이와 관련된 ‘초소형 원전 연구단, 미네르바 (MINERVA, MIcro Nuclear Energy Research and Verification Arean) 출범식’을 가졌다. 연구단에는 유니스트와 국내 5개 대학 (경희대. 서울대. 울산대. KAIST. KINGS), 무진 기연이 참여한다. 연구단은 2019년 05월 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 ‘원자력 융합기술 개발’ 과제에 선정됐다. 4년 동안 정부와 울산시로부터 최대 36억 원의 연구비를 지원받는다. ★ 연구단장 (UNIST 기계항공 및 원자력공학부) 황일순 석좌 교수는 “초소형 원자로는 기후 변화와 미세 먼지 문제, 에너지 공급 불안을 해결할 최적의 대안으로 주목받고 있다. 연구단은 깨끗하고 경제적 차세대 해양용 원자로 개발을 통해 조선 해양 산업의 재도약을 이끌 것”이라고 말했다. 황일순 단장은 “기후 변화와 해양 환경 문제에 지혜롭게 대처하겠다는 의미로 지혜의 여신 ‘미네르바’의 이름을 따서 연구단 이름을 지었다. 평화적이고 지혜로운 연구 개발을 통해 청정하고 안전한 조선. 해양 산업 발전의 기회를 만들겠다”고 덧붙였다.

 

● 지금까지 많이 쓰였던 원자로는 경수로(輕水爐)였다. 핵분열이 지나치지 않도록 물(냉각재)로 중성자 속도를 감소시킨다. 이런 저속 중성자는 우라늄 235만 핵분열시킬 수 있다. 우라늄 235는 천연 우라늄의 0.7%에 불과하다. 그래서, 이 비율을 높이는 농축이 필수적이다. ★ 반면, 고속증식로(高速增殖爐)는 불쏘시개 역할을 할 일부 우라늄 235를 빼면 대부분 그동안 쓰지 않던 우라늄 238을 연료로 쓴다.

 

● 고속증식로(高速增殖爐)는 액체 금속 냉각재로 안전성 높다.

 

고속증식로(高速增殖爐)는 물 대신 액체 금속을 냉각재로 쓴다. 중성자는 액체 금속에서는 속도가 줄지 않는다. 이런 '고속' 중성자가 우라늄 238을 때리면 핵분열이 가능한 플루토늄 239가 나온다. 바로 '증식' 과정이다. 원전의 폐연료에도 우라늄 238과 플루토늄 239가 있다. 이것도 태울 수 있다. 특히 플루토늄 239는 순수 분리하면 핵무기를 만들 수 있는데, 고속증식로(高速增殖爐)는 이것을 다 태워버리니, 핵무기 확산 방지 효과도 있다. 폐연료를 태워버리니 방사성 폐기물도 그만큼 줄어든다. 고속증식로(高速增殖爐)는 안전성이 가장 큰 장점이다. 나트륨은 물보다 열전도(熱傳導) 효율이 130배나 된다. 덕분에 원자로가 멈추면 금방 식는다. 일본 후쿠시마 원전 사고처럼 원자로에 남은 열 때문에 원자로가 녹아내릴 우려가 없다. 또한, 기존 경수로(輕水爐) 원자로는 물의 열전달 효율을 높이려고 150기압에서 작동하지만 고속증식로(高速增殖爐)는 1기압에서 작동한다. 압력에 무리가 없으니 더 안전해진다. 테라파워의 TWR은 연료 굵기가 5~6㎜다. 국내 원전은 1㎝ 정도다. 그래서, 연료봉이라 하지 않고, 연료핀이라고 한다. 얇아서 냉각이 쉬울 뿐 아니라 원자로 온도가 비정상적으로 높아지면, 핀이 팽창하여 연료 밀도가 낮아진다. 자연 중성자와 충돌할 가능성도 급감하기 때문에 스스로 안전을 확보할 수 있다.

 

■ 고속증식로, 연료 채우면, 100년 동안 계속 발전한다.

 

● 우리나라는 독자적으로 고속증식로(高速增殖爐)를 개발해왔다. 한국원자력연구원은 폐연료 재활용 기술인 파이로프로세싱과 연계하여 나트륨 냉각 고속증식로(SFR) 개발 계획을 20년 동안 추진해 왔다. 파이로프로세싱은 원전 폐연료에서 아직 핵분열이 가능한 물질을 분리하는 기술이다. 고속로는 이를 연료로 쓴다. ★ 한편, 문재인 정부에서는 2018년 전문가 검토 과정을 통과한 후, 2020년까지 미국 정부연구소, 대학과의 공동 연구 개발이 이뤄졌다. 나트륨 대신 납. 비스무트 합금을 냉각재로 쓰는 고속증식로(高速增殖爐) 방식을 택했다. 이 방식은 소형 원자로에 적합하다는 평가를 받는다.

 

● 고속증식로(高速增殖爐)는 한 번 가동하면 최대 100년간 연료를 추가 공급하지 않아도 알아서 전기를 생산하는 획기적인 원자로이다. 사람 손을 타지 않으니, 안전성이 획기적으로 높아진다. 원전에서 나온 폐연료까지 연료로 쓰는 고속증식로(高速增殖爐)로이다. 온실가스 배출을 줄이려면 태양광이나 풍력 등 재생에너지만으로는 부족하다. 안전성이 획기적으로 개선된 고속증식로(高速增殖爐)가 그 주역이 될 것이다. 고속증식로(高速增殖爐)는 속도가 줄지 않은 '고속' 중성자를 이용하여, 천연 우라늄인 우라늄238을, 핵분열 물질인 플루토늄(plutonium)으로 바꿔서, 핵연료를 '증식'하는 원자로이다. 그래서, 원전 폐연료에 포함된 우라늄238과 플루토늄(plutonium)도 연료로 쓸 수 있다. 중성자를 고속으로 유지하기 위해 물보다 감속 효과가 작은 액체 금속을 냉각재로 사용한다.

 

● 고속증식로(高速增殖爐)는 천연 우라늄과 폐연료 태워 경제성 높다.

 

★ 2019년 01월 01일 미국 월스트리트저널(WSJ)은 "미국. 중국 무역 전쟁 여파로 빌 게이츠의 차세대 원자로 개발이 차질을 빚고 있다"고 보도했다. 빌 게이츠가 세운 에너지 기업 '테라파워'는 2015년부터 중국 국영 원전 기업인 핵공업집단(CNNC)과 진행파 원자로(TWR. Traveling Wave Reactor) 개발을 진행했다. 두 회사는 2019년 중국 창저우에 1조원 이상을 투자해 시험용 진행파 원자로(TWR. Traveling Wave Reactor)을 건설할 계획이었다. 진행파 원자로(TWR. Traveling Wave Reactor)은 액체 나트륨(소듐)을 냉각재로 쓰는 고속증식로(高速增殖爐)이다. 담배가 천천히 타듯 원자로에서 연료 다발을 따라 핵분열 반응이 천천히 진행되어 '진행파 원자로(TWR. Traveling Wave Reactor)라고 한다. 테라파워는 "핵무기 원료를 만들지도 않고, 일본 후쿠시마 원전처럼 원자로가 녹아내릴 염려도 없는 차세대 원자로"라고 밝혔다. ★ 그런데, 2019년 미국 트럼프 행정부가 미국의 원전 기술이 중국에서 군사 목적에 사용되지 않는다는 확실한 보증을 요구한 것이다. 전문가들은 미국 정부가 차세대 원전 기술의 주도권이 중국으로 가는 것을 막으려 한다고 본다.

 

● 박근혜 정부인 2013년 말, 한미(韓美) 고속증식로 공동 개발 무산

 

미국 빌 게이츠의 테라파워는 한국과도 고속증식로 공동 개발을 추진했다. 빌 게이츠는 2012년 08월 당시 장순흥 한국원자력학회장(KAIST 교수) 등 국내 원자력계 대표단을 미국 시애틀 본사에서 만나서 나트륨 냉각 고속증식로(SFR) 개발 협력에 합의했다. 빌 게이츠 회장은 고속증식로 건설까지 같이하자고 제안했다. 하지만, 테라파워와의 협력은 오래가지 못했다. 우리는 일단 설계하면서 실험을 통해 효과를 입증한 뒤, 개발을 고려하겠다고 한 후, 박근혜 정부에서 2013년 말에 협력을 무산시켰다.

 

● 세계 13개국이 4세대 원자로 개발 사업을 시작했다.

 

고속증식로(高速增殖爐)는 1958년 구소련 과학자가 핵무기 확산을 막기 위해 원자로의 폐연료를 다시 태울 수 있는 방안으로 제시했다. 당시에는 우라늄이 풍부하고 아직 폐연료 처리 문제도 심각하지 않아 진지하게 고려하지 않았다. 하지만, 원전의 발전 효율과 함께 안전성과 폐기물 처리, 핵무기 전용 차단 등이 갈수록 중요해지면서 2001년부터 미국· 프랑스. 한국 등 세계 13개국이 나트륨 냉각 고속증식로 중심의 4세대 원자로 개발 사업을 시작했다. 상용화 속도는 2006년 설립된 테라파워가 가장 앞서 있다는 평가를 받았다.