마그녹스

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1. 개요
2. 역사
3. 기술적 특징
4. 안전성
- 4.1. 장점
- 4.2. 문제점
5. 경제성
6. 폐로 및 환경 문제
7. 결론
참조

1. 개요

마그녹스는 마그네슘 합금인 마그녹스(Magnox)를 사용하여 천연 우라늄을 연료로 사용하는 가스 냉각 원자로의 일종이다. 영국에서 개발되어, 세계 최초의 상업용 원자력 발전소인 콜더 홀 원자력 발전소를 포함하여 26기가 건설되었다. 이 원자로는 이산화탄소를 냉각재로, 흑연을 감속재로 사용하며, 운전 중 연료를 교체할 수 있는 특징을 갖지만, 낮은 열효율과 높은 연료 교체 빈도, 안전성 문제, 경제성 등의 단점을 지닌다. 영국 외에도 일본, 이탈리아, 북한에 수출되었으며, 북한은 영변 핵 과학 연구소에 마그녹스 원자로를 운용하고 있다.

2. 역사

마그녹스 원자로는 영국에서 개발된 1세대 가스 냉각로(GCR)이다. 이 원자로의 이름은 핵연료 피복재로 사용된 마그네슘 합금인 '마그녹스'에서 유래했다. 1956년 10월 17일 가동을 시작한 콜더 홀 원자력 발전소는 세계 최초의 상업용 원자력 발전소로, 바로 이 마그녹스 기술을 기반으로 건설되었다.

초기 마그녹스 원자로는 핵무기용 플루토늄 생산과 전력 생산이라는 두 가지 목적을 가지고 개발되었으나, 점차 상업적 전력 생산에 중점을 두게 되었다. 천연 우라늄을 연료로 사용하고 흑연을 중성자 감속재로, 이산화 탄소를 냉각재로 사용하는 것이 특징이다.

영국 내에서는 총 11개 부지에 26기의 마그녹스 원자로가 건설되었으며, 이 기술은 해외로 수출되어 이탈리아의 라티나와 일본의 도카이에도 각각 1기씩 건설되었다. 또한, 북한은 공개된 영국 설계를 바탕으로 영변에 자체적인 마그녹스 방식의 원자로를 건설하여 운영하기도 했다.

영국의 마그녹스 원자로는 점차 노후화되어 순차적으로 폐쇄되었으며, 2015년 12월 30일 윌파 1호기를 마지막으로 모든 상업 운전을 종료했다.

2. 1. 개발 배경

마그녹스 원자로는 당시 개발된 고온에 견딜 수 있는 마그네슘 신합금인 "마그녹스"를 사용한 것에서 이름이 유래했다. 이 합금이 처음 사용된 원자로는 영국 북서부 컴브리아 주에 위치한 콜더 홀 원자력 발전소(현재 명칭: 셀라필드)이다. 이 발전소는 1956년 10월 17일에 운전을 시작한 세계 최초의 상업용 원자로이기도 하다. 당시 미국에서는 저농축 우라늄 연료를 사용하는 경수로가 주류였으나, 영국은 우라늄 농축 기술이 부족했기 때문에 천연 우라늄을 연료로 사용할 수 있는 가스 냉각로를 개발하게 되었다.

2. 2. 초기 모델: 윈드스케일

셀라필드에 건설된 영국의 첫 번째 본격적인 원자로는 윈드스케일 파일이었다.^[2]^[3] 이 원자로는 천연 우라늄 연료를 사용하여 수 주간의 반응을 통해 플루토늄-239를 생산하기 위해 설계되었다. 천연 우라늄은 일반적으로 자체 중성자만으로는 연쇄 반응을 유지하기 어렵기 때문에, 반응성을 높이기 위해 중성자 감속재가 필요했다. 윈드스케일 파일에서는 고도로 정제된 흑연이 감속재로 사용되었다.^[2]^[3]

원자로의 노심은 작은 흑연 블록들을 쌓아 만든 거대한 정육면체("파일") 형태였으며, 여기에는 수평으로 다수의 '연료 채널'이 뚫려 있었다. 우라늄 연료는 알루미늄 용기에 담겨 채널의 앞쪽으로 밀어 넣어졌고, 이 과정에서 기존에 있던 연료 용기는 채널 뒤쪽으로 밀려나와 물웅덩이에 떨어지도록 설계되었다. 이 시스템은 비교적 낮은 온도와 출력 수준에서 작동했으며, 대형 팬을 이용한 공랭식으로 냉각되었다.^[2]^[3]

그러나 흑연은 불에 타기 쉬운 물질이어서 심각한 안전 위험을 안고 있었다. 이는 1957년 10월 10일, 당시 2기 중 1호기에서 화재가 발생하면서 실제로 증명되었다. 원자로는 3일 동안 불탔으나, 이전에 불필요하다는 비판을 받았던 필터 시스템(코크로프트의 어리석음) 덕분에 대규모 방사능 오염 사태는 피할 수 있었다.^[4]

2. 3. 마그녹스 원자로의 등장

영국의 원자력 시설이 원자력 발전에 관심을 돌리기 시작했을 때, 무기 개발을 위한 플루토늄의 추가 생산 필요성은 여전히 중요한 과제였다. 이에 따라 기존의 윈드스케일 파일 설계를 기반으로 플루토늄 생산과 전력 생산을 동시에 할 수 있는 새로운 원자로를 개발하려는 노력이 시작되었다. 경제성을 확보하기 위해서는 발전소가 훨씬 높은 출력으로 가동되어야 했고, 생산된 열을 효율적으로 전기로 변환하기 위해서는 더 높은 온도에서 작동해야 했다.

이러한 높은 출력 수준에서는 화재 위험이 커지기 때문에 기존의 공기 냉각 방식은 더 이상 적합하지 않았다. 마그녹스 설계에서는 냉각재로 이산화 탄소(CO₂)를 사용하게 되었다. 원자로 가동 중에는 각 연료 채널을 통과하는 가스 흐름을 개별적으로 조절할 수는 없었지만, 원자로 노심을 지지하는 격자 구조인 다이어그리드(diagrid)에 부착된 흐름 조절 장치(gag)를 이용해 전체적인 가스 흐름을 조정했다. 이 장치는 노심 중앙부의 냉각재 흐름을 늘리고 주변부의 흐름을 줄이는 방식으로 사용되었다. 원자로의 반응 속도를 제어하는 주된 역할은 수직 채널 안에서 위아래로 움직이는 여러 개의 붕소강 제어봉이 담당했다(예: 채플크로스와 콜더 홀에서는 48개 사용).

더 높은 작동 온도에서는 기존에 사용되던 알루미늄 피복재가 구조적으로 버티기 어려워, 새로운 마그녹스 합금이 개발되어 연료 피복재로 사용되었다. 하지만 마그녹스 합금은 온도가 높아질수록 반응성이 커지는 단점이 있었고, 이 때문에 운전 중 가스 온도를 360°C로 제한해야 했다. 이는 효율적인 증기 생산에 필요한 온도보다 상당히 낮은 수준이었다. 이러한 온도 제한은 주어진 전력 생산량을 위해 원자로의 크기가 매우 커져야 함을 의미하기도 했다. 또한 냉각재로 사용된 가스의 낮은 열용량 때문에 매우 높은 유량의 냉각재 순환이 필요했고, 이는 원자로 크기 증가 문제를 더욱 심화시켰다.

마그녹스 연료봉은 정제된 천연 우라늄 금속 연료를 마그녹스 합금 튜브(쉘)에 넣고 헬륨 가스를 채워 밀봉한 형태로 제작되었다. 튜브 외부에는 냉각재인 CO₂와의 열 교환 효율을 높이기 위해 보통 냉각핀(fin)이 부착되었다. 마그녹스 합금은 물과 반응하는 성질이 있어, 사용후 연료를 원자로에서 꺼낸 뒤 냉각수조에 장기간 보관할 수 없다는 제약이 있었다. 윈드스케일 파일과 달리 마그녹스 원자로는 연료 채널이 수직으로 배열되었다. 이 때문에 연료봉들을 서로 연결하거나 쌓아서 한 번에 장전하고 인출할 수 있는 구조가 필요했다.

후기에 건설된 마그녹스 원자로는 윈드스케일 설계처럼 원자로 가동 중에도 연료를 교체할 수 있는 운전 중 연료 재장전 기능을 갖추었다. 이는 천연 우라늄 연료의 낮은 연소율 때문에 잦은 연료 교체가 필요했기 때문에 설계의 중요한 고려 사항이었다. 발전을 위해서는 연료봉을 가능한 한 오래 원자로 내에 두었지만, 플루토늄 생산을 목적으로 할 때는 더 일찍 꺼냈다. 그러나 복잡한 재급유 장치는 원자로 본체 시스템보다 신뢰성이 떨어지는 문제가 있었고, 결과적으로 온라인 재급유 기능이 전체적인 운영에 항상 유리했던 것은 아니었다.^[6]^[45]

원자로 노심 전체는 거대한 압력 용기 안에 설치되었다. 원자로 크기 때문에 노심 부분만 강철 압력 용기 안에 들어가고, 그 바깥을 두꺼운 콘크리트 구조물(생물학적 차폐벽)이 둘러쌌다. 노심 내부에 물이 없어 증기 폭발의 위험이 없었기 때문에, 콘크리트 격납 건물을 압력 용기에 가깝게 밀착시켜 건설할 수 있었고 이는 건설 비용 절감에 도움이 되었다. 초기 마그녹스 설계에서는 격납 건물의 크기를 줄이기 위해 CO₂ 가스를 식히는 열교환기를 압력 용기 외부에 설치하고 배관으로 연결했다. 이 방식은 유지보수 접근이 용이하다는 장점이 있었지만, 특히 차폐되지 않은 상부 배관에서 방사선이 누출될 수 있다는 약점을 가지고 있었다.

마그녹스 설계는 지속적으로 개량되었으며, 후기에 건설된 원자로는 초기 모델과 상당한 차이를 보였다. 중성자속을 높여 출력 밀도를 개선하려는 시도는 특히 저온에서 강철 구조물의 중성자 취화 문제를 야기했다. 올드버리와 윌파와 같은 후기 원자로에서는 강철 압력 용기 대신, 열교환기와 증기 발생 장치까지 내부에 포함하는 프리스트레스 콘크리트 압력 용기를 사용했다. 작동 압력도 초기 강철 용기의 6.9 ~ 19.35 bar에서 후기 콘크리트 용기에서는 24.8 ~ 27 bar로 높아졌다.^[7]^[46]

당시 영국의 건설 회사들은 단독으로 전체 발전소를 건설할 만큼 규모가 크지 않았기 때문에, 여러 경쟁 컨소시엄이 건설에 참여했다. 이로 인해 발전소마다 설계에 차이가 발생했으며, 예를 들어 거의 모든 발전소가 서로 다른 디자인의 마그녹스 연료봉을 사용했다.^[8]^[47] 마그녹스 원자로 건설 프로젝트의 대부분은 예정된 공사 기간을 넘기고 예산을 초과하는 문제에 시달렸다.^[14]^[53]

원자로를 처음 가동할 때는 핵 연쇄 반응을 시작시키기 위해 충분한 중성자를 공급하는 중성자원을 노심 내부에 배치했다. 또한 노심 전체에 걸쳐 중성자속 밀도를 비교적 균일하게 만들기 위해 중성자속 평탄화(flux flattening) 막대나 제어봉을 사용했다. 이것이 없으면 노심 중앙부의 중성자속이 주변부보다 훨씬 높아져 중앙부 온도가 과도하게 상승하고, 이 때문에 전체 출력을 제한해야 하는 문제가 발생한다. 각 연료 채널에는 여러 개의 연료봉이 '스트링거(stringer)' 형태로 쌓여 장전되었다. 이를 위해 연료봉 묶음을 인출할 수 있는 고정 장치가 필요했는데, 여기에 사용된 니모닉 합금 스프링에 포함된 코발트가 중성자를 흡수하여 방사성 동위원소인 ⁶⁰Co를 생성함으로써, 사용후 연료 취급 시 높은 감마선 준위를 유발하는 문제를 일으켰다. 또한 일부 연료봉에는 온도를 측정하기 위한 열전대가 부착되어 있었는데, 연료 교체 시 이를 제거해야 하는 번거로움이 있었다.^[49]

마그녹스라는 이름은 원자로 개발 당시 초고온 환경에 견딜 수 있도록 새로 개발된 마그네슘 합금인 '마그녹스'를 연료 피복재로 사용한 데서 유래했다. 마그녹스 합금이 처음 사용된 원자로는 영국 북서부 컴브리아 주의 콜더 홀 원자력 발전소(현재 셀라필드 부지 내)로, 1956년 10월 17일 상업 운전을 시작하여 세계 최초의 상업용 원자력 발전소로 기록되었다. 당시 미국에서는 저농축 우라늄을 사용하는 경수로가 원자력 발전의 주류를 이루었지만, 영국은 우라늄 농축 기술이 부족했기 때문에 천연 우라늄을 연료로 사용할 수 있는 가스 냉각 방식의 마그녹스 원자로를 개발하게 되었다.

2. 4. 영국 내 건설 및 해외 수출

마그녹스 설계는 영국에서 시작되었으며, 총 11개 부지에 26기의 원자로가 건설되었다. 또한 이 설계는 해외로 수출되어 이탈리아의 라티나와 일본의 도카이에 각각 1기씩 건설되었다.^[19] 조선민주주의인민공화국 역시 평화를 위한 원자력 회의에서 공개된 영국의 설계를 기반으로 영변에 자체적인 마그녹스 방식의 원자로를 건설했다.

영국 최초의 마그녹스 발전소이자 세계 최초의 상업용 원자력 발전소는 셀라필드 내에 위치한 '''Calder Hall'''이다.^[11] 콜더 홀은 1956년 8월 27일 처음으로 전력망에 연결되었고, 같은 해 10월 17일 엘리자베스 2세 여왕이 참석한 가운데 공식적으로 가동을 시작했다.^[23] 첫 가동 후 약 47년 만인 2003년 3월 31일에 운영을 중단했다.^[24]

초기에 건설된 콜더 홀과 채플크로스 발전소는 원래 UKAEA 소유였으며, 초기 운영 목적은 전력 생산보다는 무기급 플루토늄 생산에 중점을 두었다. 이를 위해 연간 두 차례 연료 교체를 실시했다.^[25] 1964년부터는 상업적 목적의 연료 주기로 전환되었으나, 영국 정부가 무기용 플루토늄 생산 중단을 공식 발표한 1995년 4월까지 군사적 목적의 플루토늄 생산은 계속되었다.^[26]

이후 건설된 대규모 마그녹스 발전소들은 CEGB가 소유했으며 주로 상업적 전력 생산을 목적으로 운영되었다.^[27] 그러나 힝클리 포인트 "A"를 포함한 일부 발전소는 필요시 군사적 목적으로 무기급 플루토늄을 추출할 수 있도록 설계가 변경되기도 했다.^[28]^[29]

시간이 흘러 마그녹스 원자로들은 점차 폐쇄되었고, 원자력 폐기 위원회(NDA)는 2015년 12월 30일, 세계에서 마지막으로 가동 중이던 마그녹스 원자로인 윌파 1호기가 가동을 중단했다고 발표했다. 윌파 1호기는 원래 계획보다 5년 더 운영되었으며, 이는 2호기를 먼저 폐쇄하고 남은 연료를 1호기에서 모두 사용하기 위한 결정에 따른 것이었다.^[32]

한편, 조선민주주의인민공화국 영변에 건설된 5 MWe급 소형 실험용 마그녹스 원자로는 2016년 기준으로 여전히 가동 중인 것으로 알려져 있다.

=== 영국 내 마그녹스 발전소 목록 ===

이름	위치	원자로 수	원자로당 생산량 (MWe)	총 생산량 (MWe)	최초 계통 연결	폐쇄
콜더 홀	화이트헤이븐 인근, 컴브리아	4	50	200	1956	2003
채플크로스	애넌 인근, 덤프리스 앤 갤러웨이	4	60	240	1959	2004
버클리	글로스터셔	2	138	276	1962	1989
브래드웰	사우스민스터 인근, 에식스	2	121	242	1962	2002
헌터스톤 "A"	웨스트 킬브라이드와 페어리 사이 노스 에어셔	2	180	360	1964	1990
힝클리 포인트 "A"	브리지워터 인근, 서머싯	2	235	470	1965	1999
트라우스피니드	그위네드	2	195	390	1965	1991
던제네스 "A"	켄트	2	219	438	1966	2006
사이즈웰 "A"	레이스턴 인근, 서퍽	2	210	420	1966	2006
올드버리	손버리 인근	2	217	434	1968	2012
윌파	앵글시	2	490	980	1971	2015

=== 해외 수출 마그녹스 발전소 목록 ===

이름	위치	원자로 수	원자로당 생산량 (MWe)	총 생산량 (MWe)	최초 계통 연결	폐쇄
라티나	이탈리아	1	160	160	1963	1987년 국민투표 이후
도카이 무라	일본	1	166	166	1966	1998

2. 5. 북한의 마그녹스 원자로 개발

북한은 영국 콜더 홀 마그녹스 원자로의 공개된 설계를 기반으로 자체적인 원자로를 개발하였다. 북한이 개발하거나 건설을 시도한 마그녹스 기반 원자로는 다음과 같이 총 3기이다.

북한의 마그녹스 기반 원자로
위치	출력	상태	비고
영변 핵과학연구소	5 MWe	1986년~1994년 가동, 2003년 재가동	실험용 원자로. 이 원자로의 사용후 핵연료에서 추출된 플루토늄은 핵무기 프로그램에 사용된 것으로 알려져 있다.
영변	50 MWe	1994년 미국과의 제네바 합의에 따라 건설 중단	1985년 착공하였으나 완공되지 못했다.
태천	200 MWe	1994년 제네바 합의에 따라 건설 중단	건설이 중단되었다.

3. 기술적 특징

마그녹스 원자로는 압력이 가해진 이산화탄소를 냉각재로 사용하고, 흑연을 감속재로 활용한다. 연료로는 천연 우라늄을 사용하며, 이 연료봉은 마그녹스 합금으로 감싸져 있다. 마그녹스(Magnox)는 '마그네슘 비산화성 합금'('''MAG'''nesium '''N'''on-'''OX'''idising^eng)의 줄임말로, 마그네슘에 알루미늄과 소량의 다른 금속을 섞어 만든 합금이다.^[49]

마그녹스 설계의 중요한 특징 중 하나는 운전 중 연료 교체가 가능하다는 점이다. 천연 우라늄은 농축 우라늄보다 연소율이 낮아 연료 교체가 더 자주 필요한데, 운전 중 교체가 가능함으로써 발전소 가동 중단 시간을 줄여 경제성을 확보하고자 했다.^[6]

그러나 마그녹스 합금은 몇 가지 기술적 한계를 가진다. 최고 사용 온도가 낮아 발전소의 열효율을 제한하며, 물과 반응하는 성질 때문에 사용후 핵연료의 장기적인 습식 보관이 어렵다는 단점이 있다.^[10]^[49] 이러한 특징들은 후속 원자로 기술 개발에 영향을 미쳤다.

아래는 대표적인 마그녹스 원자로의 사양 비교표이다.^[49]

사양	콜더 홀	윌파	올드버리
열출력(총), MW	182	1875	835
전기출력(총), MW	46	590	280
효율, %	23	33	34
연료 채널 수	1696	6150	3320
유효 코어 직경	9.45m	17.4m	12.8m
유효 코어 높이	6.4m	9.2m	8.5m
평균 가스 압력	7 bar	26.2 bar	25.6 bar
평균 입구 가스 온도 °C	140°C	247°C	245°C
평균 출구 가스 온도 °C	336°C	414°C	410°C
총 가스 유량	891 kg/s	10254 kg/s	4627 kg/s
재료	천연 우라늄 금속
우라늄 질량(톤)	120	595	293
압력 용기 내경	11.28m	29.3m	23.5m
압력 용기 내부 높이	21.3m	—	18.3m
가스 순환기	4
증기 발생기	4	1	4
발전기 수	2		1

3. 1. 연료 및 피복재

마그녹스 원자로는 연료로 천연 우라늄을 사용하며, 이 연료를 감싸는 피복재로 마그녹스 합금을 사용한다. 마그녹스는 마그네슘을 주성분으로 하고 알루미늄과 소량의 다른 금속을 첨가하여 만든 합금으로, '마그네슘 비산화성 합금'('''MAG'''nesium '''N'''on-'''OX'''idising^영어)이라는 의미를 가진다.^[49] 이 합금은 중성자를 적게 흡수한다는 장점이 있어 핵연료 피복재로 선택되었지만, 몇 가지 단점도 가지고 있다.

마그녹스 연료 요소는 정제된 우라늄 금속 연료를 마그녹스 합금으로 만든 피복관(쉘) 안에 넣고 헬륨 가스로 채워 만들어진다. 피복관 바깥쪽에는 냉각제인 이산화 탄소(CO₂)와의 열 교환 효율을 높이기 위해 냉각 핀(fin)이 달려 있는 경우가 많다. 이러한 핀 구조 때문에 마그녹스 연료는 생산 비용이 높은 편이다.^[49]

마그녹스 합금의 주요 단점은 다음과 같다.

낮은 온도 한계: 마그녹스 합금은 고온에서 견딜 수 있는 한계가 낮아, 원자로의 운전 온도를 약 360°C 정도로 제한한다. 이는 증기 발생 효율을 떨어뜨려 발전소의 전체적인 열효율을 낮추는 요인이 된다.^[6]^[49] 이 문제를 해결하기 위해 더 높은 온도에서 작동하는 고성능 가스 냉각로(AGR)가 개발되기도 했다. AGR은 초기에는 베릴륨 피복재를 고려했으나 취성 문제로 스테인리스강 피복재로 변경되었고, 이는 중성자 흡수율이 높아 농축 우라늄을 사용하게 되는 결과를 낳았다.
물과의 반응성: 마그녹스 합금은 물과 반응하는 성질이 있어, 사용후 핵연료를 물이 담긴 냉각 수조에 장기간 보관하기 어렵다.^[49] 이 때문에 사용후 핵연료는 원자로에서 꺼낸 후 비교적 짧은 시간 안에 재처리해야 하는 문제가 있다. 우라늄 금속 연료 자체는 재처리가 비교적 간단하고 저렴하지만, 빠른 재처리 과정에서 발생하는 높은 방사능 준위의 핵분열 생성물을 다루기 위해 고가의 원격 조종 설비가 필요하다.^[49]

마그녹스 원자로는 천연 우라늄을 연료로 사용하기 때문에 농축 우라늄을 사용하는 다른 원자로에 비해 연료의 연소율이 낮다. 이는 연료 교체가 더 자주 필요하다는 것을 의미하며, 따라서 원자로 가동을 멈추지 않고 연료를 교체할 수 있는 운전 중 연료 교체(Online refuelling^영어) 기능이 마그녹스 설계의 중요한 특징이자 경제성 확보에 필수적인 요소가 되었다.^[6]^[45] 전력 생산을 위해서는 연료를 최대한 오래 사용하지만, 플루토늄 생산이 목적일 경우 더 일찍 연료를 교체하기도 했다.^[45] 하지만 복잡한 연료 교체 장비는 원자로 시스템 자체보다 고장이 잦아 신뢰성 문제가 제기되기도 했다.^[6]^[45]

마그녹스 연료는 여러 개의 연료 요소를 수직으로 쌓아 '스트링거'(stringer)라는 다발 형태로 만들어 사용한다. 이 스트링거를 원자로에 장전하고 꺼내기 위한 래칭(latching) 메커니즘이 필요한데, 여기에 사용된 니모닉 합금 스프링에 포함된 코발트가 중성자에 노출되어 코발트-60으로 변하면서 높은 감마선을 방출하는 문제가 발생하기도 했다.^[49] 또한, 연료 온도를 측정하기 위해 일부 연료 요소에는 열전대가 부착되어 있으며, 연료 교체 시 이를 제거해야 했다.^[49]

3. 2. 감속재 및 냉각재

마그녹스 원자로는 중성자 감속재로 흑연을 사용하고, 냉각재로는 압력을 가한 이산화 탄소(CO₂)를 사용한다.^[49] 이는 플루토늄-239 생산을 주 목적으로 했던 초기 모델 윈드스케일 파일에서 발전한 형태이다.

윈드스케일 파일은 천연 우라늄을 연료로 사용했는데, 천연 우라늄만으로는 연쇄 반응을 지속하기 어려워 중성자의 속도를 늦추는 감속재가 필요했다. 이를 위해 고순도 흑연이 사용되었다.^[41]^[42] 초기 윈드스케일 파일은 거대한 흑연 덩어리에 연료 채널을 뚫은 구조였으며, 냉각은 대형 팬을 이용한 공랭식이었다.^[41]^[42]

그러나 흑연은 불이 붙기 쉬운 가연성 물질이라는 심각한 안전상의 약점을 가지고 있었다. 이는 1957년 10월 10일 윈드스케일 1호기에서 발생한 화재 사고로 명확히 드러났다. 원자로는 3일간 불탔으며, 초기에 불필요하다는 비판을 받았던 여과 시스템 덕분에 대규모 방사능 오염은 피할 수 있었다.^[43]

원자력 발전으로 활용 방향이 확장되면서 더 높은 출력과 온도에서 작동할 필요성이 생겼다. 높은 출력에서는 흑연 화재 위험이 커지고 공랭식 냉각은 한계가 있었기 때문에, 마그녹스 설계에서는 냉각재로 이산화탄소를 채택했다. 원자로 내 가스 흐름은 다이어그리드에 부착된 흐름 조절 장치를 이용해 노심 중앙부의 흐름을 늘리고 주변부 흐름을 줄이는 방식으로 조절되었다. 반응 속도는 주로 붕소강으로 만들어진 제어봉을 이용해 제어했다. (예: 콜더 홀과 채플크로스에서는 48개의 제어봉 사용)

고온 환경에 대응하기 위해 기존 알루미늄 대신 마그녹스 합금으로 연료 피복재를 개발했다. 하지만 마그녹스 합금은 온도가 높아지면 반응성이 커지는 문제가 있어, 운전 중 가스 온도를 약 360°C로 제한해야 했다. 이는 효율적인 증기 생산에 필요한 온도보다 상당히 낮은 수준이었다. 또한 냉각재인 이산화탄소는 열용량이 낮아 냉각 효율을 높이려면 매우 높은 유량이 필요했고, 이는 원자로 크기가 커지는 요인이 되었다.

마그녹스 연료봉은 정제 우라늄을 마그녹스 합금으로 감싸고 헬륨 가스를 채운 형태였으며, 외부에는 이산화탄소와의 열 교환 면적을 넓히기 위한 냉각핀이 달려 있었다. 마그녹스 합금은 물과 반응하기 때문에 사용 후 연료를 냉각 수조에 장기간 보관할 수 없는 단점도 가지고 있었다.

3. 3. 운전 중 연료 교체

마그녹스 원자로는 가동 중에도 연료를 교체할 수 있도록 설계된 것이 특징이다. 이는 발전소 운영의 경제성 측면에서 중요한 요소였는데, 연료 교체를 위해 원자로 가동을 멈추는 시간을 없앨 수 있었기 때문이다. 특히 마그녹스 원자로는 천연 우라늄을 연료로 사용하는데, 이는 농축 우라늄을 사용하는 다른 원자로에 비해 연소율이 낮아 연료 교체가 더 자주 필요했다. 따라서 운전 중 연료 교체 기능은 마그녹스 설계의 핵심적인 부분 중 하나였다.

윈드스케일 설계와 달리, 마그녹스 설계에서는 수직 연료 채널이 사용되었다. 이 구조 덕분에 연료 요소들을 위아래로 쌓아 올리고, 채널 상단에서 연료를 꺼낼 수 있었다. 후기에 건설된 마그녹스 원자로들은 이 설계를 통해 연료 채널에 직접 접근하여 운전 중 연료 재급유를 할 수 있었다.

연료 교체 주기는 원자로의 운전 목적에 따라 달랐다. 원자력 발전을 통한 전력 생산이 주 목적일 경우에는 연료 캐니스터를 가능한 한 오랫동안 원자로 내부에 두었다. 반면, 군사적 목적의 플루토늄 생산이 필요할 때에는 연료를 더 일찍 꺼냈다.^[64]^[65] 힝클리 포인트 A를 포함한 일부 발전소는 필요시 무기급 플루토늄을 추출할 수 있도록 개조되기도 했다.^[67]^[68]

그러나 운전 중 연료 교체를 위한 복잡한 재급유 장비는 원자로 시스템 자체보다 신뢰성이 떨어지는 문제점을 보이기도 했다. 이 때문에 운전 중 연료 교체 기능이 전반적으로 기대만큼의 효율성을 거두지 못했을 수 있다는 평가도 있다.^[6]^[45]

4. 안전성

마그녹스 원자로는 설계 당시 단순한 구조, 낮은 출력 밀도, 그리고 이산화 탄소 가스 냉각재 사용 덕분에 상당한 수준의 고유 안전성을 갖춘 것으로 여겨졌다. 이러한 이유로 초기 마그녹스 원자로에는 사고 시 방사성 물질의 외부 유출을 막는 격납 건물과 같은 2차 격납 설비가 제공되지 않았다. 당시 안전 설계 원칙은 "최대 예상 사고"를 기준으로 했으며, 이 기준을 만족하면 다른 작은 사고들은 자연스럽게 방지될 수 있다고 가정했다. 예를 들어, 냉각재 상실사고가 발생하더라도, 원자로가 신속히 정지(SCRAM)된다면 마그녹스 피복재가 대부분의 방사성 물질을 막아주고, 노심의 잔열은 공기의 자연 순환으로 제거될 수 있다고 보았다. 또한 냉각재가 가스 형태이므로 체르노빌 사고와 같은 증기 폭발의 위험은 없다고 판단했다.

그러나 이러한 초기 설계의 가정과 달리 실제 운영 과정에서는 여러 안전 문제가 드러났다. 원자로 정지 시스템이 실패하거나 자연 대류 냉각이 제대로 이루어지지 않는 경우는 설계 단계에서 충분히 고려되지 않았다. 1967년 채플크로스 원자력 발전소에서는 연료 채널의 가스 흐름 문제로 연료봉이 녹는 사고가 발생했는데, 이는 설계에서 예상하지 못한 유형의 사고였으며 방출된 방사능도 예상보다 많았다.

또한, 초기 강철 압력 용기 설계에서는 원자로 외부로 직접적인 감마선 및 중성자선 방사선(직접 방사)이 누출되는 문제가 있었다.^[20] 2002년 던제스 원자력 발전소 인근 주민 중 가장 많이 노출된 사람은 '직접 방사'만으로 연간 0.56 mSv의 방사선량을 받았는데, 이는 국제 방사선 방호 위원회가 권고하는 일반인 연간 선량 한도의 절반을 넘는 수치였다.^[21] 이후 콘크리트 압력 용기를 사용한 올드버리나 윌파에서는 이 문제가 개선되었다. 이러한 안전상의 우려 때문에 마그녹스 발전소는 인구 밀집 지역을 피해 건설되었으며, 발전소 반경 약 8.05km 이내에 10,000명 미만, 약 16.09km 이내에 100,000명 미만 등의 인구 제한 조건이 적용되었고, 주변 인구의 대규모 증가를 막는 조치가 취해졌다.^[19]

연료 피복재로 사용된 마그녹스 합금 자체도 안전 관련 문제를 안고 있었다. 이 합금은 물과 반응하기 때문에 사용후 핵연료의 수중 장기 보관이 어려웠고, 금속 우라늄 연료는 재처리가 상대적으로 용이했지만 방사능 준위가 매우 높은 상태에서 신속하게 처리해야 했기 때문에 값비싼 원격 조작 장치가 필요했다.

4. 1. 장점

마그녹스 원자로는 운전 중에도 연료 교체가 가능한 운전중 연료장전 기능이 중요한 특징이었다. 이는 발전소 가동을 멈추지 않고 연료를 교환할 수 있게 하여 경제적인 이점을 제공했다. 특히 마그녹스 원자로는 천연 우라늄을 연료로 사용했기 때문에 농축 우라늄을 사용하는 다른 원자로보다 연료 연소도가 낮아 더 자주 연료를 교체해야 했으므로, 운전 중 연료 장전 기능은 더욱 중요했다.^[45]

또한, 우라늄 농축 기술이 부족했던 당시 영국 상황에서 천연 우라늄을 직접 연료로 사용할 수 있다는 점도 마그녹스 설계의 주요 이점 중 하나였다.

설계 당시 마그녹스 원자로는 비교적 단순한 구조, 낮은 출력 밀도, 그리고 이산화 탄소 가스 냉각재 사용 덕분에 상당한 수준의 고유 안전성을 갖춘 것으로 평가되었다. 이러한 믿음 때문에 초기 마그녹스 원자로에는 별도의 격납 건물이 건설되지 않았다. 당시 안전 설계는 "최대 예상 사고"(Maximum Credible Accident, MCA) 시나리오를 기준으로 이루어졌으며, 이 기준만 충족하면 다른 모든 작은 사고들도 막을 수 있다고 가정했다. 예를 들어, 냉각재 상실 사고가 발생하더라도 마그녹스 연료봉 피복재가 방사성 물질 누출을 막고, 노심의 잔열은 공기의 자연 대류로 제거될 수 있다고 보았다. 냉각재가 가스 형태이므로 체르노빌 사고와 같은 증기 폭발 위험도 없다고 여겨졌다. 그러나 1967년 채플크로스 원자력 발전소에서 발생한 연료 용융 사고는 이러한 설계 가정의 한계를 보여주었다. 비록 큰 사고로 이어지지는 않았지만, 이는 설계 단계에서 예상하거나 고려하지 않았던 유형의 사고였다.^[19]

마그녹스 원자로에 사용된 마그녹스 합금 자체는 중성자를 잘 흡수하지 않는(중성자 포획 단면적이 작음) 특성이 있어 핵반응 효율 측면에서 장점을 가졌다.

4. 2. 문제점

마그녹스 원자로는 특유의 설계 방식, 다른 원자로에 비해 낮은 출력 밀도, 이산화 탄소(CO₂)를 냉각재로 사용하는 점 등에서 여러 문제점을 가지고 있었다.
설계 및 운영상의 한계

낮은 열효율: 연료봉 피복재로 사용된 마그녹스 합금은 고온에서 반응성이 커지는 특성 때문에 운전 온도가 약 360°C로 제한되었다. 이는 효율적인 증기 생산에 필요한 온도보다 낮아 열효율을 떨어뜨리는 주요 원인이었다.^[46]
큰 원자로 크기: 기체인 CO₂ 냉각재는 액체 냉각재에 비해 열용량이 현저히 낮다. 따라서 충분한 냉각 성능을 확보하기 위해 냉각재를 매우 빠른 속도로 순환시켜야 했고, 이는 원자로 자체의 크기가 커지는 결과를 낳았다.
잦은 연료 교체와 낮은 신뢰성: 천연 우라늄을 연료로 사용했기 때문에 연소율이 낮아 연료를 자주 교체해야 했다. 이를 위해 운전 중에도 연료 교체가 가능한 온라인 재급유 시스템을 도입했지만, 이 복잡한 장비는 고장이 잦아 신뢰성이 떨어지는 문제를 보였다.^[6]^[45] 예를 들어 일본 최초의 원자력 발전소인 도카이 발전소에서는 하루에 20개에서 30개의 연료봉을 교체해야 했다.
방사선 누출: 초기 마그녹스 원자로 설계에서는 압력 용기 외부에 열 교환기와 가스 순환 배관을 설치했다. 이 구조는 유지보수에는 유리했지만, 차폐가 불충분한 배관을 통해 감마선이나 중성자선이 누출되는 '직접 방사' 문제를 일으켰다.^[20]
부식 및 성능 저하: 고온의 CO₂ 냉각재가 원자로 내부의 연강(mild steel) 부품을 산화시키는 문제가 발견되었다. 이로 인해 일부 발전소(라티나 원자력 발전소 등)는 부식을 늦추기 위해 운전 온도를 390°C 에서 360°C로 낮춰야 했고, 이는 발전 출력 감소로 이어졌다.^[30]^[31]
중성자 취화: 원자로 가동 중 발생하는 높은 중성자속은 강철 구조물을 약하게 만드는 중성자 취화 문제를 일으켰으며, 이는 특히 저온에서 더 심각하게 나타났다.
방사화 문제: 연료 교체 장비에 사용된 니모닉 합금 스프링에는 코발트가 포함되어 있었는데, 이 코발트가 원자로 내에서 중성자를 흡수하여 방사성 동위원소인 ⁶⁰Co으로 변하는 문제가 있었다. ⁶⁰Co은 강한 감마선을 방출하므로 사용후 스프링의 방사선 준위를 높여 취급을 어렵게 만들었다.

안전 문제

2차 격납 설비 부재: 설계 당시 마그녹스 원자로는 가스 냉각 방식과 낮은 출력 밀도 덕분에 고유 안전성이 뛰어나다고 평가받았다. 이러한 이유로 사고 시 방사성 물질의 외부 유출을 막는 최후의 방벽인 격납 건물과 같은 2차 격납 설비가 설치되지 않았다. 안전 설계는 당시 기준으로 '최대 예상 사고' 시나리오에 맞춰졌으며, 이를 벗어나는 복합적인 사고나 예상치 못한 고장에 대한 대비는 부족했다.
냉각재 상실사고 위험: 냉각재 상실 사고 발생 시, 마그녹스 피복재가 녹아내리기 전에 원자로가 신속히 정지(SCRAM)되면 방사성 물질의 대량 유출은 없을 것으로 예상되었다. 그러나 냉각재 자체가 기체이기 때문에, 체르노빌 사고에서와 같은 급격한 압력 상승이나 폭발 가능성도 제기되었다.
실제 사고 발생: 1967년 채플크로스 원자력 발전소에서는 하나의 연료 채널에서 냉각 가스 흐름이 막혀 연료봉이 녹는 사고가 발생했다. 다행히 큰 재앙으로 이어지지는 않았지만, 이는 설계 단계에서 고려되지 않았던 유형의 사고였으며, 이때 방출된 방사능의 양은 당초 예상했던 수준보다 훨씬 많았다.
직접 방사선 피폭: 구형 강철 압력 용기를 사용한 초기 발전소(던제스 원자력 발전소 등)에서는 운전 중 원자로에서 상당한 양의 감마선과 중성자선이 직접 외부로 방출되었다. 2002년 측정 결과, 던제스 원자로 인근에 거주하는 주민 중 가장 많이 노출된 사람은 '직접 방사'만으로 연간 0.56 mSv의 방사선량을 받았는데, 이는 국제 방사선 방호 위원회(ICRP)가 권고하는 일반인 연간 선량 한도의 절반을 넘는 수치였다.^[21] 이후 프리스트레스 콘크리트 압력 용기를 채택한 올드버리나 윌파 같은 후기 발전소에서는 이 문제가 크게 개선되었다.
입지 제한: 이러한 안전상의 우려로 인해 마그녹스 발전소는 인구가 밀집된 지역을 피해 건설되었고, 발전소 반경 약 8.05km 이내의 대규모 인구 증가를 막는 등의 입지 제한 조치가 취해졌다.^[19]

재료(마그녹스 합금) 자체의 문제

물과의 반응성: 마그녹스 합금은 물과 반응하는 성질이 있어, 사용하고 난 사용후 핵연료를 물속에 오랫동안 보관할 수 없었다.^[44] 이는 사용후 핵연료 관리의 어려움으로 작용했다.
높은 생산 비용: 낮은 운전 온도에서도 열 전달 효율을 높이기 위해 연료봉 표면에 복잡한 냉각 핀(fin) 구조를 만들어야 했는데, 이는 연료 생산 비용을 증가시키는 요인이었다.
재처리 문제: 연료 자체로 금속 우라늄을 사용한 것은 재처리 과정을 단순화하는 장점도 있었지만, 금속 우라늄은 공기 중에서 반응성이 크기 때문에 원자로에서 꺼낸 후 매우 짧은 시간 안에 재처리를 해야만 했다. 이 과정에서 방사능 준위가 매우 높은 핵분열 생성물을 다루어야 했고, 이를 안전하게 처리하기 위해 값비싼 원격 조작 장치가 필수적이었다.

경제성 및 기타 문제

낮은 경제성: 마그녹스 원자로는 본래 군사적 목적의 플루토늄 생산과 상업 발전을 동시에 염두에 둔 '이중 용도'로 설계되었다. 이 때문에 순수 발전용 원자로에 비해 경제성이 떨어지는 구조적인 한계를 안고 있었다. 이러한 경제성 문제를 해결하기 위해 고성능 가스 냉각로(AGR)가 개발되었지만, AGR 역시 기대만큼의 경제성을 보여주지는 못했다는 평가를 받는다.^[48] 전 영국 재무부 경제 고문 데이비드 헨더슨은 AGR 프로그램을 초음속 여객기 콩코드와 함께 영국 정부가 지원한 가장 비용이 많이 든 실패한 프로젝트 중 하나로 꼽기도 했다.
건설 지연 및 비용 초과: 대부분의 마그녹스 발전소 건설 프로젝트는 예정된 기간을 넘기고 초기 예산을 초과하는 문제를 겪었다.^[14]^[53]
표준화 부족: 당시 영국에는 단일 기업이 원자력 발전소 전체를 건설할 만한 역량이 부족하여 여러 건설 컨소시엄이 나누어 참여했다. 그 결과, 발전소마다 연료봉 설계 등 세부 사양이 달라 표준화가 이루어지지 못했고, 이는 유지보수 및 운영의 비효율성을 야기했을 수 있다.^[8]^[47]

5. 경제성

최초의 마그녹스 원자로인 칼더 홀^[11]^[50]은 본래 핵무기용 플루토늄을 생산하기 위해 설계되었다.^[13]^[52] 우라늄에서 플루토늄을 생산하는 과정에서 발생하는 막대한 열은 처리해야 할 대상이었으며, 이 열을 이용해 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 생산하거나 인근 윈드스케일 공장에서 공정열로 사용하는 것은 필수 과정의 부가적인 산물로 여겨졌다.

칼더 홀 원자로의 발전 효율은 18.8%로, 현대 기준으로는 낮은 수준이었다.^[12]^[51]

영국 정부는 1957년, 원자력 발전을 장려하며 1965년까지 5,000~6,000 MWe 용량(당시 영국 발전 수요의 4분의 1에 해당)을 확보하는 건설 프로그램을 추진하기로 결정했다.^[13]^[52] 당시 존 콕크로프트 경은 정부에 핵발전 비용이 석탄보다 더 비쌀 것이라고 조언했지만, 정부는 석탄 화력 발전소의 대안으로 핵발전소가 석탄 광부 노조의 협상력을 줄이는 데 유용할 것이라고 판단하여 계획을 강행했다.^[14]^[53] 그러나 1960년 정부 백서는 건설 목표를 3,000 MWe로 축소하면서, 실제로는 석탄 발전이 원자력 발전보다 25% 더 저렴하다는 점을 인정했다.^[13]^[52]^[53] 1963년 하원에 제출된 정부 성명에서는 원자력 발전 비용이 석탄의 두 배 이상이라고 밝혀졌다.^[14]^[53]

경제성을 개선하기 위해 생산된 플루토늄에 가치를 부여하는 이른바 '플루토늄 크레딧' 제도가 사용되었지만, 발전소 운영자에게 이 크레딧이 실제로 지급되지는 않았다.^[15]^[54]

사용 후 연료봉은 원자로에서 꺼낸 뒤 냉각 연못에 보관되었다(윌파는 이산화탄소 환경의 건식 저장 시설을 사용). 이 과정에서 연료봉의 붕괴열은 연못 물로 전달되고 순환, 냉각, 여과 시스템을 통해 제거된다. 하지만 마그녹스 피복재는 물속에서 시간이 지나면 손상되기 때문에 연료봉을 물에 보관할 수 있는 기간이 제한적이었다. 이로 인해 핵 재처리가 불가피했고, 이는 마그녹스 프로그램의 전체 비용을 증가시키는 요인이 되었다.^[16]^[55]

이후의 검토에서는 마그녹스 프로그램이 가장 경제적인 설계를 표준화하는 대신 각 프로젝트마다 지속적으로 개발을 진행한 점, 그리고 단 두 건의 수출 주문만 달성한 원자로 개발 방식을 고수한 점 등이 비판받았다.^[17]^[56]

자본 비용에 대해 낮은 5%의 할인율을 적용하여 비용을 소급 평가한 결과, 마그녹스 발전 비용은 석탄 화력 발전소에서 생산했을 경우보다 거의 50% 더 높았던 것으로 추산되었다.^[18]^[57]

6. 폐로 및 환경 문제

영국의 원자력 폐기청(NDA, Nuclear Decommissioning Authority)은 마그녹스 발전소 폐기를 담당하며, 그 비용은 126억파운드에 달할 것으로 추정된다.^[33]^[72] 마그녹스 원자로 폐로에는 초기에 12.6억파운드가 소요될 것으로 예측되었으며, 이는 원자로를 25년에서 100년 동안 더 운영할지에 대한 논란을 일으켰다. 폐기 전략으로 25년 단기 해체와 100년 장기 보관(Safestore) 방안이 논의되었다. 80년 후에는 핵연료가 제거된 노심의 단수명 방사성 물질이 붕괴하여 사람이 접근하기 용이해져 해체 작업이 수월해진다. 단기 전략은 로봇을 이용한 해체 기술이 필요하다.^[33]^[72] 현재는 약 100년간의 폐기 계획인 Safestore 전략이 채택되었다. 130년 지연 Safestore 전략도 고려되었으나, 14억파운드의 비용 절감 효과에도 불구하고 선택되지 않았다.^[34]^[73]

마그녹스 관련 시설 폐기에는 막대한 비용이 소요된다. 셀라필드 원자력 단지에서 사용 후 마그녹스 연료를 재처리하는 B205 시설의 폐기 비용은 31.5억파운드로 추산된다. 또한 프레스턴 근처 스프링필드에 위치한 마그녹스 연료 생산 설비 폐기에는 3.71억파운드가 들 것으로 예상된다. 마그녹스 관련 활동 전체의 폐기 비용은 200억파운드를 초과할 가능성이 높으며, 이는 원자로 부지당 평균 약 20억파운드에 해당한다.

세계 최초의 상업용 원자력 발전소로 1956년에 문을 연 콜더 홀은 영국의 중요한 산업 유산으로 여겨진다. 이에 NDA는 콜더 홀 1호기를 박물관으로 보존하는 방안을 검토하고 있다.

콜더 홀을 제외한 영국의 모든 마그녹스 원자로 부지는 NDA의 자회사인 마그녹스 유한회사(Magnox Ltd)가 운영한다. 본래 원자로 부지 관리 회사(RSMC, Reactor Sites Management Company)가 NDA를 대신하여 마그녹스 유한회사를 관리하는 계약을 맺었으나, 2007년 RSMC는 영국 원자력 연료(British Nuclear Fuels)로부터 미국의 핵연료 주기 서비스 제공업체인 에너지솔루션(EnergySolutions)에 인수되었다.^[35]^[74]

2008년 10월 1일, 마그녹스 일렉트릭 유한회사(Magnox Electric Ltd)는 마그녹스 노스 유한회사(Magnox North Ltd)와 마그녹스 사우스 유한회사(Magnox South Ltd)로 분할되었다.^[36]^[75] 각 회사가 관리하는 부지는 다음과 같다.

마그녹스 노스 부지	마그녹스 사우스 부지
채플크로스	버클리
헌터스턴 A	브래드웰
올드버리	던제네스 A
트라우스피니드	힝클리 포인트 A
윌파

이후 2011년 1월, 마그녹스 노스와 사우스는 다시 마그녹스 유한회사로 통합되었다.^[37]^[76] 계약 관련 조달 및 관리 문제로 인해 마그녹스 유한회사는 2019년 9월부로 NDA의 직접적인 자회사가 되었다.^[38]^[39]^[77]^[78]

7. 결론

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