페블베드 원자로
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1. 개요
페블베드 원자로는 테니스 공 크기의 구형 연료인 '페블'을 사용하는 가스 냉각 방식의 원자로이다. 페블은 핵연료, 핵분열 생성물 장벽, 흑연 감속재로 구성되며, 불활성 기체로 냉각된다. 설계상 온도 상승 시 핵반응이 둔화되는 안전성을 갖지만, 흑연의 연소 위험, 격납 건물 부재, 폐기물 처리 문제 등의 비판도 존재한다. 독일의 AVR, THTR-300, 중국의 HTR-10, HTR-PM 등 다양한 국가에서 개발 및 연구가 진행되었으며, 남아프리카 공화국에서도 PBMR 프로젝트가 추진되었으나 중단되었다.
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페블베드 원자로 | |
---|---|
원자로 정보 | |
유형 | 초고온 원자로 |
냉각재 | 용융염 |
핵연료 | 'TRISO' '²³⁵U' |
감속재 | 흑연 |
열출력 | 100 ~ 300 MWₜₕ |
냉각재 온도 | 1000 °C |
특징 | |
안전성 | 고유 안전성 |
활용 | 수소 생산 지역 난방 전력 생산 |
디자인 | |
핵연료 형태 | '페블' 블록 |
페블 직경 | 6.7 센티미터 |
2. 설계
페블베드 발전소는 가스 냉각 코어[5]와 새로운 연료 포장 방식을 결합한다.[6]
우라늄, 토륨 또는 플루토늄 핵연료는 테니스 공보다 약간 작은 구형의 세라믹(일반적으로 산화물 또는 탄화물) 형태로, 열분해 흑연으로 만들어져 주요 중성자 감속재 역할을 한다. 각 페블은 핵연료, 핵분열 생성물 장벽 및 감속재로 구성되어 있어 비교적 단순하다(전통적인 원자로에서는 모두 다른 부분). 충분한 페블을 적절한 기하학적 구조로 그룹화하면 임계 질량이 생성된다.
페블은 용기 안에 보관되며, 가열된 가스는 터빈을 직접 통과한다. 그러나 1차 냉각재의 가스가 원자로의 중성자에 의해 방사성을 띨 수 있거나, 연료 결함으로 인해 발전 장비가 오염될 수 있는 경우에는 열교환기로 가져가 다른 가스를 가열하거나 증기를 생성하기도 한다.
가압 경수로와 같은 기존의 수냉식 원자력 발전소 비용의 상당 부분은 냉각 시스템의 복잡성 때문이며, 이는 페블베드 원자로(PBR)에서는 문제가 되지 않는다. 기존 발전소는 광범위한 안전 시스템과 이중 백업 시스템이 필요하다. 원자로 코어는 냉각 시스템에 의해 축소된다. 또한 코어는 물에 중성자를 조사하여 물과 물에 용해된 불순물을 방사성으로 만든다. 1차 측의 고압 배관은 결국 수소 취성을 겪게 되며 검사 및 교체가 필요하다.
일부 설계는 제어봉 대신 온도에 의해 조절된다. PBR은 동일한 설계에서 다양한 연료(동시에 사용하지는 않을 수 있음)로 만든 연료 페블을 사용할 수 있다. 지지자들은 페블베드 원자로가 농축 우라늄뿐만 아니라 토륨, 플루토늄 및 천연 비농축 우라늄을 사용할 수 있다고 주장한다.
2. 1. 연료
핵연료는 주로 산화물 또는 탄화물 형태의 세라믹으로 만들어진다.[6] 이 연료는 테니스 공보다 약간 작은 구형이며, 열분해 흑연으로 둘러싸여 있다.[6] 이 흑연은 중성자 감속재 역할을 한다.[6] 페블 디자인은 각 구체가 핵연료, 핵분열 생성물 장벽, 감속재로 구성되어 있어 비교적 단순하다.대부분의 고정식 설계에서 연료 교체는 지속적으로 이루어진다. 페블은 빈 모양의 원자로에 배치되며, 수년 동안 약 10번 바닥에서 꼭대기까지 이동하며 각 통과 후 테스트를 거친다. 사용된 페블은 핵 폐기물 구역으로 제거되고 새로운 페블로 교체된다.
모든 핵연료 입자는 졸-겔 공정을 통해 만들어지며, 세척, 건조, 소성 과정을 거친다. 미국의 핵연료 입자는 탄화 우라늄을 사용하는 반면, 독일(AVR) 핵연료 입자는 이산화 우라늄을 사용한다. 독일에서 생산된 연료 입자는 제조 방식 덕분에 미국의 핵연료 입자보다 약 1000배 적은 방사성 가스를 방출한다.[10][11]
2. 2. 냉각
페블베드 발전소는 가스 냉각 코어를 사용한다.[5] 불활성 기체(헬륨, 질소 또는 이산화 탄소 등)가 연료 페블 사이의 공간을 순환하며 원자로에서 열을 빼앗아간다. 가열된 가스는 터빈을 직접 통과하거나, 열교환기로 가져가 다른 가스를 가열하거나 증기를 생성할 수 있다. 터빈 배기는 따뜻하며 건물 난방 또는 다른 용도로 사용될 수 있다.페블베드 원자로는 가스 냉각 방식이며, 때로는 저압에서 작동한다. 페블 사이의 공간은 기존 원자로의 배관을 대체한다. 코어에 실제 배관이 없고 냉각재에 수소가 포함되어 있지 않으므로 수소 취성은 안전 문제로 고려되지 않는다. 선호되는 가스인 헬륨은 중성자나 불순물을 쉽게 흡수하지 않아 물에 비해 더 효율적이며 방사성 오염 가능성이 낮다.
3. 안전성
페블베드 원자로(PBR)는 온도가 상승하면 핵반응이 둔화되는 음의 반응도 피드백 특성을 갖도록 설계되었다. 이는 설계에 내재된 고유한 안전 기능으로, 가동 부품에 의존하지 않고 반응 과정을 수동적으로 제어한다.[7]
PBR은 사고 시나리오에서 수동적으로 안전한 출력 수준으로 감소한다. 냉각재는 불활성 기체이므로 항상 기체 상태를 유지하며, 감속재는 고체 탄소(흑연)이므로 냉각재 상실 사고 시에도 안전하다. 페블의 열에 의해 구동되는 가스의 대류는 페블이 수동적으로 냉각되도록 보장한다. 모든 보조 기계가 고장 나는 경우에도 원자로는 손상 없이 설계된 "유휴" 온도를 유지하며, 이 상태에서 원자로 용기는 열을 방출하지만 용기와 연료 구체는 손상되지 않는다.
독일 AVR 원자로를 사용한 안전 테스트에서 모든 제어봉을 제거하고 냉각수 흐름을 중단시켰을 때 연료는 손상되지 않았다.[7] PBR은 흑연의 어닐링 온도 이상으로 작동하여 위그너 에너지가 축적되지 않도록 한다. 이는 윈드스케일 화재에서 발견된 문제를 해결한다.
버클리 대학교 리처드 A. 뮬러 교수는 PBR을 "모든 면에서 ... 현재의 원자력 발전소보다 안전하다"고 묘사했다.[8]
3. 1. 격납
페블베드 원자로는 방사성 물질과 생물권의 접촉을 막기 위해 여러 겹의 격납 설비를 갖추고 있다.- 대부분의 원자로는 항공기 충돌 및 지진에 견딜 수 있도록 설계된 격납 건물 안에 있다.
- 원자로는 일반적으로 두께 2미터의 벽과 닫을 수 있는 문이 있고 물로 채울 수 있는 냉각 플레넘 공간이 있는 방에 위치한다.
- 원자로 용기는 일반적으로 밀봉된다.
- 용기 내 각 페블은 내화성 탄화 규소로 감싼 60mm의 중공 구형 열분해 흑연으로 구성된다.
- 저밀도 다공성 열분해 탄소, 고밀도 비다공성 열분해 탄소
- 핵분열 연료는 금속 산화물 또는 탄화물의 형태로 존재한다.
열분해 흑연은 페블의 주요 구조 재료이다. 대부분의 원자로 설계 온도보다 두 배 이상 높은 4000°C에서 승화된다. 중성자를 효과적으로 감속시키고, 강하고, 저렴하며, 원자로 및 기타 고온 응용 분야에서 오랫동안 사용되어 왔다. 예를 들어, 열분해 흑연은 보강되지 않은 상태로 미사일 재진입 노즈콘과 대형 고체 로켓 노즐을 만드는 데에도 사용된다.[9]
열분해 탄소는 수산기 라디칼(예: 물)에 의해 반응이 촉매될 때 공기 중에서 연소될 수 있다. 악명 높은 예로는 윈드스케일 및 체르노빌 사고가 있으며, 두 사고 모두 흑연 감속 원자로였다. 그러나 페블베드 원자로는 화재를 방지하기 위해 불활성 가스로 냉각된다. 모든 설계에는 화재 방지 및 밀봉 역할을 하는 최소 한 겹의 탄화 규소가 있다.
4. 설계 비판
페블베드 원자로(PBR) 설계에는 다음과 같은 비판이 제기되고 있다.
- 연료 연소 가능성: 페블베드 원자로의 연료는 흑연으로 만들어져 공기 중에서 연소될 수 있다. 이는 원자로 용기 손상 시 발생할 수 있는 문제이다. 연료 입자는 탄화 규소 층으로 코팅되어 흑연을 보호하지만, 탄화 규소는 팽창 및 전단력에 취약하다. 제논-133과 같은 일부 핵분열 생성물은 탄소에 잘 흡수되지 않아 연료 입자 내 가스 축적으로 탄화 규소 층이 파열될 수 있다.
- 격납 건물 부재: 일부 설계는 격납 건물이 없어 외부 공격에 취약할 수 있다는 우려가 있다. 그러나 대부분 철근 콘크리트 격납 구조물로 둘러싸여 있다.[12]
- 폐기물 처리 문제: PBR 폐기물은 부피가 크지만, 방사능은 킬로와트시(kWh)당 비슷한 수준으로 덜 위험하고 다루기 쉽다. 그러나 현행 미국 법률은 모든 폐기물을 안전하게 보관하도록 규정하여 폐기물 저장 시설이 필요하다. 페블 결함은 저장을 복잡하게 하며, 흑연 페블의 구조적 특성상 재처리도 어렵다.
- 2008년 독일 AVR 보고서:
- 원자로 노심에 표준 측정 장비 배치가 불가능하다.[13][14]
- 페블이 금속성 핵분열 생성물을 제대로 가두지 못해 냉각 회로가 스트론튬-90, 세슘-137 등으로 오염될 수 있다. 최신 연료 요소조차도 스트론튬과 세슘을 충분히 가두지 못한다.[13][14]
- 노심 온도가 계산값보다 200°C 더 높게 상승할 수 있다.[13][14]
- 페블 파손 시 발생하는 먼지는 핵분열 생성물이 연료 입자 밖으로 유출될 경우 이동성 핵분열 생성물 운반체 역할을 할 수 있다.[13][14]
4. 1. 흑연 연소
페블베드 원자로의 주요 비판은 흑연 연료의 연소 가능성이다. 흑연은 공기 중에서 연소될 수 있으며, 이는 원자로 용기 손상 시 발생할 수 있다. 연료 입자는 흑연을 격리하기 위해 탄화 규소 층으로 코팅되어 있지만, 탄화 규소는 팽창 및 전단력에 취약하다. 일부 핵분열 생성물(예: Xenon|제논영어-133)은 탄소에서 흡수력이 제한적이므로, 일부 연료 입자는 충분한 가스를 축적하여 탄화 규소를 파열시킬 수 있다.4. 2. 격납 건물
일부 설계는 격납 건물을 포함하지 않아 원자로가 외부 공격에 더 취약할 수 있다. 하지만 대부분 철근 콘크리트 격납 구조물로 둘러싸여 있다.[12]4. 3. 폐기물 처리
PBR(페블베드 원자로)의 폐기물은 양이 훨씬 많지만, 베크렐(Bq) 단위의 방사능은 킬로와트시당 비슷한 수준이다. 이 폐기물은 덜 위험하고 다루기 더 쉽다. 현재 미국 법률은 모든 폐기물을 안전하게 보관하도록 요구하고 있으며, 폐기물 저장 시설이 필요하다. 펠블 결함은 저장을 복잡하게 만들 수 있다. 흑연 펠블은 구조 때문에 재처리가 더 어렵다.4. 4. 기타 비판 (2008년 독일 AVR 보고서)
- 표준 측정 장비를 원자로 코어에 배치하는 것이 불가능하다.[13][14]
- 금속성 핵분열 생성물에 대한 페블 유지 능력이 제한되어 있어 냉각 회로가 Strontium|스트론튬영어-90, Caesium|세슘영어-137과 같은 금속성 핵분열 생성물로 오염될 수 있다. 보고서는 최신 연료 요소조차 스트론튬과 세슘을 충분히 유지하지 못한다고 주장했다.[13][14]
- 코어 온도가 계산값보다 200°C 높게 상승할 수 있다.[13][14]
- 페블 파손 시 페블 마찰로 인해 먼지가 형성되며, 이 먼지는 핵분열 생성물이 연료 입자를 벗어나는 경우 이동성 핵분열 생성물 운반체 역할을 한다.[13][14]
5. 역사
페블베드 원자로(Pebble Bed Reactor, PBR) 개념은 1947년 패링턴 대니얼스가 처음 제안했고,[16] 1950년대 루돌프 슐텐이 발전시켰다.[16] 슐텐의 핵심 아이디어는 연료, 구조, 격납, 중성자 감속재를 작고 강한 구체에 결합하는 것이었다. 이는 탄화규소와 열분해 탄소의 고강도 엔지니어링 형태 활용에 기반했다.
페블베드 원자로는 우라늄, 토륨, 플루토늄 등 핵연료를 테니스 공보다 약간 작은 세라믹 구형으로 만들고 열분해 흑연으로 감싸 중성자 감속재 역할을 하게 한다. 이 구형 연료('페블')는 핵연료, 핵분열 생성물 장벽, 감속재를 모두 포함한다.
페블은 용기 안에 보관되며, 헬륨, 질소, 이산화 탄소 등 불활성 기체가 페블 사이를 순환하며 열을 제거한다. 가열된 가스는 터빈을 직접 돌리거나 열교환기를 통해 다른 가스를 가열하거나 증기를 만드는 데 쓰인다. 터빈 배기는 건물 난방 등에 활용 가능하다.
페블베드 원자로는 가스 냉각 방식이며 저압에서 작동하는 경우가 많다. 페블 사이 공간이 기존 원자로 배관을 대체하고, 냉각재에 수소가 없어 수소 취성 문제가 없다. 헬륨은 중성자나 불순물을 잘 흡수하지 않아 물보다 효율적이고 방사성 오염 가능성이 낮다.
가압 경수로 등 기존 수냉식 원자로는 냉각 시스템이 복잡하고 안전/백업 시스템이 필요하지만, 페블베드 원자로는 이런 문제가 적다. 또 기존 원자로는 물에 중성자를 조사해 물과 불순물을 방사성으로 만들지만, 페블베드 원자로는 그렇지 않다.
일부 페블베드 원자로는 제어봉 대신 온도에 의해 조절되며, 다양한 연료를 쓸 수 있다. 지지자들은 농축 우라늄 외 토륨, 플루토늄, 천연 비농축 우라늄도 사용 가능하다고 주장한다.
대부분 설계에서 연료 교체는 지속적으로 이뤄진다. 페블은 원자로 상단에서 하단으로 이동하며, 테스트 후 사용된 페블은 제거되고 새 페블로 교체된다.
5. 1. AVR (독일)
서독 율리히 연구 센터 율리히에 15 MWe급 실험 원자로인 아르베이트스게마인샤프트 페르수흐스레악토어(AVR, 실험 원자로 컨소시엄)가 건설되었다. AVR 건설 비용은 1억 1,500만 독일 마르크(1966년)였으며, 2010년 가치로 1.8억유로에 해당한다. 원자로는 1966년 8월 26일에 최초 임계에 도달했고, 21년 동안 성공적으로 운영되었다.1978년, AVR에서 30ton의 물/증기 유입 사고가 발생하여 토양과 지하수가 스트론튬-90과 삼중수소에 오염되었다.[17]
AVR은 원래 토륨-232에서 우라늄-233을 증식하도록 설계되었다. 실용적인 토륨 증식로는 가치 있는 기술로 여겨졌으나, AVR의 연료 설계는 연료를 매우 잘 포함하여 변환된 연료를 추출하는 것이 비경제적이었다.
AVR은 헬륨 냉각재를 사용하며, 낮은 중성자 단면적을 갖는다. 1차 냉각재를 발전 터빈으로 직접 연결하는 것은 실용적이었다. 전력 생산에 1차 냉각재를 사용했음에도 AVR은 일반적인 경수로보다 직원에 대한 방사선 노출이 1/5 미만으로 보고되었다.
1988년 12월 1일, 체르노빌 참사와 운전상의 문제로 AVR은 폐쇄되었다. 연료 요소 제거 과정에서 페블베드 코어 아래의 중성자 반사체가 운전 중 균열된 것이 밝혀졌고, 수백 개의 연료 요소가 균열에 끼어 있었다. 조사 결과 AVR은 세계에서 가장 심하게 베타 오염된 (스트론튬-90) 핵 시설이며, 오염은 먼지 형태로 존재한다는 것이 밝혀졌다.[17]
국소적인 연료 온도 불안정성으로 인해 Cs-137 및 Sr-90에 의한 용기 오염이 심각하게 발생했다. 방사성 먼지를 고정하기 위해 원자로 용기에 경량 콘크리트를 채웠으며, 2012년에는 2100ton의 원자로 용기를 영구적인 해결책이 마련될 때까지 중간 저장 시설로 옮길 예정이었다. 원자로 건물은 해체될 예정이었고 토양과 지하수는 정화될 예정이었다. AVR 해체 비용은 건설 비용을 훨씬 초과할 것으로 예상되었다. 2010년 8월, 독일 정부는 용기 해체를 고려하지 않은 AVR 해체 비용을 6억유로 (7.5억달러)로 추산했다.
5. 2. THTR-300 (독일)
AVR의 경험을 바탕으로, 독일은 토륨을 연료로 사용하는 300MWe급 토륨 고온 원자로 THTR-300을 건설했다. THTR-300은 기술적 어려움을 겪었으며, 1986년 5월 4일에는 체르노빌 재앙 며칠 후 사고로 방사성 물질 일부가 환경으로 방출되었다.[18] 이 사고는 파이프 내 자갈 막힘 시 발생한 인적 오류로 인해 발생했다. 가스 흐름을 증가시켜 자갈의 움직임을 재개하려 하자, 페블베드 원자로(PBR)에 항상 존재하는 먼지가 섞여 나왔고, 이는 잘못 열린 밸브로 인해 여과되지 않은 채 환경으로 방출되었다.방출된 방사능의 양은 , , 등 0.1 GBq로 제한적이었지만,[18] 조사위원회가 임명되었다. THTR-300 주변의 방사능은 최종적으로 체르노빌에서 25%, THTR-300에서 75%가 발생한 것으로 밝혀졌다. 이 사고는 독일의 페블베드 커뮤니티의 신뢰도를 심각하게 훼손했으며, 독일 내 지지를 잃게 만들었다.[18]
THTR-300은 시험 과정에서 예상치 못한 자갈 파괴율이 높았고, 그로 인해 격납 구조물의 오염이 심화되는 문제도 겪었다. 연료 제거 과정에서 자갈 파편과 흑연 먼지가 바닥 반사판의 일부 냉각 채널을 막은 것이 발견되었다. 단열재 고장으로 인해 검사를 위해 빈번한 원자로 정지가 필요했는데, 단열재를 수리할 수 없었다. 1988년 9월에는 뜨거운 가스 덕트의 금속 부품이 예상치 못한 뜨거운 가스 흐름으로 인한 열 피로로 인해 고장났다.[19] 1989년 8월, THTR 회사는 거의 파산할 뻔했지만 정부에 의해 구제되었다. THTR 운영에 대한 예상치 못한 높은 비용과 사고로 인해 THTR 원자로에 대한 관심은 끝났고, 정부는 1989년 9월 말에 THTR 운영을 종료하기로 결정했다.
5. 3. HTR-PM (중국)
2004년 중국은 AVR 기술을 라이선스하고 발전용 원자로를 개발했다.[20] 10메가와트급 프로토타입은 HTR-10으로 명명되었다. 이는 기존의 헬륨 냉각, 헬륨 터빈 설계를 따른다. 2021년 중국은 2개의 250MWt 원자로를 통합한 211MWe (총 발전량)급 HTR-PM 유닛을 건설했다.[21] 2023년 12월에 가동을 시작했다.[22] 2021년 기준으로, 6기의 원자로를 갖춘 후속 모델인 HTR-PM600을 위한 4개의 부지가 검토되었다.[21]5. 4. 남아프리카 공화국 PBMR
남아프리카 공화국의 국영 전력 회사 에스콤은 2004년 케이베르그에 새로운 페블베드 모듈형 원자로(PBMR)를 건설할 것이라고 발표했다. 이 원자로는 940°C에서 작동할 예정이었다.[23] 그러나 PBMR 프로젝트는 케이베르그 알레르트, 얼스라이프 아프리카 등의 단체로부터 반대에 부딪혔고, 얼스라이프 아프리카는 에스콤을 고소하기도 했다.[24] 결국 원자로는 완성되지 못했으며, 테스트 시설은 지적 재산권과 자산을 보호하기 위해 해체되어 "관리 및 유지 모드"로 전환되었다.[25]한편, 프레토리아에 본사를 둔 Stratek Global은 PBMR 원자로의 변형 모델인 HTMR-100 원자로를 개발했다. HTMR-100 원자로는 750°C에서 작동하며, 열을 물로 전달하여 증기를 생성하는 헬륨 냉각 방식을 사용한다. HTMR-100 원자로의 출력은 35 MWe이다.[26]
5. 5. 기타 설계
애덤스 원자 엔진(Adams Atomic Engines, AAE)은 자체적으로 완비되어 있어 우주, 극지, 수중 환경과 같은 극한 환경에 적용할 수 있는 설계를 개발했다. 이 설계는 기존의 저압 가스 터빈을 직접 통과하는 질소 냉각제를 사용했으며,[27] 터빈 속도를 빠르게 변경할 수 있어 전력 생산 대신 터빈이 직접 기계 장치를 구동하는 선박 프로펠러 등에 활용 가능했다.AAE 엔진은 냉각수 손실 또는 흐름 손실 시 도플러 넓어짐 현상으로 인해 연료가 과열되면 자연적으로 정지하여 열 발생을 멈추는 본질적으로 안전한 설계였다.
AAE는 2010년 12월에 폐업했다.[28]
참조
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https://www.world-nu[...]
2023-06-24
[27]
특허
Control for a closed cycle gas turbine system
[28]
웹사이트
Company formerly known as Adams Atomic Engines
http://www.atomiceng[...]
Atomicengines.com
2013-09-05
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