AHWR

3. 개발 동기

인도는 대규모 토륨 매장량을 보유하고 있어, 이를 활용하는 첨단 중수형 원자로(AHWR) 개발에 유리한 기반을 갖추고 있다.^[5] 토륨은 지구 지각에 우라늄보다 3배 더 풍부하며, 특히 인도는 세계 최대의 토륨 매장량을 자랑한다.^[6]

토륨은 모나자이트에서 희토류 원소를 추출하는 과정에서 발생하는 광미(광산 찌꺼기)에도 다량 포함되어 있다.^[6] 이 광미는 화학적 독성(토륨은 독성 중금속)과 방사성 문제를 야기하는데, 핵발전소에서 토륨을 사용함으로써 이러한 문제를 부분적으로 해결할 수 있다.^[6]

천연 우라늄은 0.72%의 핵분열성 우라늄-235(uranium-235|우라늄-이삼오^영어)를 포함하는 반면, 토륨은 거의 전적으로 비옥한 thorium-232|토륨-이삼이^영어로 구성되어 있다. thorium-232|토륨-이삼이^영어는 열중성자를 흡수하여 핵분열성 우라늄-233(uranium-233|우라늄-이삼삼^영어)으로 핵 변환될 수 있다. 이를 통해 고속 증식로 없이도 원래 물질의 더 많은 부분을 사용할 수 있으며, 마이너 악티나이드 생성량을 크게 줄일 수 있다.^[6]

토륨은 지각에서의 존재도가 우라늄보다 높아 자원 고갈 우려가 적다는 장점이 있다.^[19] 현재 토륨의 산지나 확인 매장량은 제한적이지만, 이는 토륨 수요가 적어 자원 탐사가 활발하지 않기 때문이다.

인도는 국내에 대규모 모나즈석 광상이 존재하여 토륨 자원이 풍부하며, 이는 에너지 안보 측면에서 매우 유리하다. 이러한 이유로 인도는 개량형 중수형 원자로 개발과 토륨 연료 주기 실용화를 적극적으로 추진하고 있다.

또한, 천연 토륨은 거의 100% 토륨 232이므로, 우라늄과 달리 동위원소 분리 농축이 불필요하다는 장점도 있다.

4. 설계 특징

AHWR은 인도 바바 원자력 연구소(BARC)에서 개발 중인 차세대 중수로이다. 상업 발전을 위해 토륨 연료 주기를 사용하는 것을 목표로 하며, 자연 순환 하에서 비등 경수로 냉각 방식을 채택한 수직 압력관형 원자로이다.

AHWR 설계의 독특한 특징 중 하나는 1차 격납 용기 상단에 위치한 대형 물 탱크인 중력 구동 수조(GDWP)이다. 이 저장조는 여러 가지 피동 안전 기능을 수행하도록 설계되었다.

AHWR은 가압 중수로(PHWR)와 유사하게 압력관과 칼란드리아 튜브를 사용하지만, AHWR의 튜브는 PHWR과 달리 수직으로 배치되어 있다.

원자로 설계는 인도의 PHWR의 여러 입증된 긍정적인 특징과 함께 첨단 기술을 통합한다. 이러한 특징에는 압력관형 설계, 저압 감속재, 운전 중 연료 재장전, 다양한 고속 작동 차단 시스템, 원자로 노심 주변에 대형 저온 열 싱크의 가용성이 포함된다.

AHWR은 자연 순환을 통한 노심 열 제거, 연료에 비상 노심 냉각 시스템(ECCS) 물 직접 주입, 노심 잔열 제거를 위한 오버헤드 중력 구동 수조(GDWP)에 있는 대량의 붕산수 가용성과 같은 여러 피동 안전 기능을 통합한다. 비상 노심 냉각 시스템(ECCS) 주입 및 격납 냉각은 능동 시스템이나 작업자의 조작 없이 작동할 수 있다(SCRAM).^[7]

또한 다음과 같은 특징들을 가지고 있다.

• 고압 중수 냉각재를 제거하여 중수 누출 손실을 줄이고, 중수 회수 시스템을 제거했다.
• 감속재에서 발생한 열을 급수 가열에 회수한다.
• 1차 냉각재 펌프 및 구동 모터, 관련 제어 및 전원 공급 장비와 같은 주요 부품 및 장비를 제거하고 이러한 펌프를 작동하는 데 필요한 전력 소비를 절감했다.
• 공장에서 조립된 냉각 채널은 압력관만 다른 채널 구성 요소에 영향을 주지 않고 빠르게 교체할 수 있는 기능을 갖추고 있다.
• 증기 발생기를 더 간단한 증기 드럼으로 대체했다.
• PHWR보다 높은 증기 압력을 갖는다.
• 저압 터빈에서 나오는 증기를 사용하여 다중 효과 담수화 플랜트에서 하루 500 m3의 탈염수를 생산한다.
• 100년의 설계 수명을 갖는 원자로이다.
• 첨단 안전 기능을 고려하여 배제 구역이 필요하지 않도록 설계되었다.^[8]

4. 1. 노심 설계

4. 2. 안전 장치

AHWR은 기존 경수로 원자로와 구별되는 안전 기능을 갖추고 있다. 여기에는 강력한 안전 시스템, 내장된 냉각 시스템을 통한 핵연료의 열 감소, 다중 차단 시스템, 기술적 고장 시 시스템을 차단하는 독소를 포함하는 페일세이프 절차(FBR)가 포함된다.^[4]

AHWR은 음의 반응도 계수, 낮은 출력 밀도, 핵연료 내 낮은 잉여 반응도, 내장된 재료 속성의 적절한 선택을 통해 열 축적 가능성을 줄인다.^[11]

또한, AHWR은 자연 순환을 통한 노심 열 제거, 비상 노심 냉각 시스템(ECCS) 물을 연료에 직접 주입, 노심 잔열 제거를 위한 오버헤드 중력 구동 수조(GDWP)에 있는 대량의 붕산수 가용성 등 여러 피동 안전 기능을 통합하고 있다. 비상 노심 냉각 시스템(ECCS) 주입 및 격납 냉각은 능동 시스템이나 작업자의 조작 없이 작동할 수 있다(SCRAM).

5. 핵연료 주기

AHWR은 핵연료 주기를 닫는 방식으로 설계되어 방사능 독성을 줄인다. 다양한 핵연료 주기가 가능하여 대체 핵연료 옵션을 갖추고 있으며, 닫힌 방식과 1회 통과 방식(핵연료 직접 처분)의 핵연료 주기를 모두 사용할 수 있다. AHWR의 전반적인 특징은 토륨 기반 핵연료를 사용하여 높은 연소율을 목표로 한다는 것이다(BARC, 2013). 원자로에서 회수된 재활용 토륨은 다시 투입되고, 플루토늄은 고속 증식로에서 사용하기 위해 저장된다.^[4]

AHWR은 원리상 핵 독을 쉽게 제거할 수 있기 때문에 표준 구성에서도 닫힌 핵연료 주기가 가능하다. 사용후 핵연료를 재처리하여 회수한 토륨은 다시 AHWR에 투입되고, 플루토늄은 고속증식로에서 이용하기 위해 저장된다.^[17]

인도 정부가 구상하고 있는 3단계 핵연료 주기는 다음과 같다.^[21]

6. 기술 사양

AHWR의 제안된 설계는 차세대 PHWR 유형의 중수 감속 원자력 발전소이다. 이 원자로는 인도 뭄바이에 있는 바바 원자력 연구 센터(BARC)에서 개발 중이며 상업 발전을 위해 토륨 연료 주기를 사용하는 것을 목표로 한다. AHWR은 자연 순환 하에서 비등 경수로 냉각 방식의 수직 압력관형 원자로이다.^[7]

원자로 설계는 인도의 가압 중수로 (PHWR)의 여러 입증된 긍정적인 특징과 함께 첨단 기술을 통합한다. AHWR은 여러 피동 안전 기능을 통합한다.^[7]

원자로 물리학 설계는 약간의 음의 보이드 계수를 달성하여 토륨 기반 연료의 사용을 극대화하도록 조정되었다. PuO₂-ThO₂ MOX 및 ThO₂-²³³UO₂ MOX를 동일한 연료 집합체의 서로 다른 핀에 사용하고, 비정질 탄소 (연료 번들 내)와 중수를 80–20% 부피 비율로 구성된 이종 감속재를 사용함으로서 가능하게 되었다.^[7]

7. 미래 계획

2013년 인도 정부는 300 MWe 규모의 AHWR을 건설할 것이라고 발표했다.^[9] 2017년 현재 설계는 검증의 마지막 단계에 있었다.^[10] 인도 정부는 2013년 8월 29일, 건설 장소는 미정이나 출력 300MW의 개량형 중수로를 건설할 방침을 발표했으나,^[22] 2015년 말 시점에서는 건설 장소가 발표되지 않았다.

8. 안전 혁신

체르노빌 원자력 발전소 사고와 후쿠시마 원자력 발전소 사고 같은 과거의 핵연료 용융 사고는 원자력 발전소 건설 및 유지 관리 개선의 중요성을 부각시켰다. 이러한 사고들은 원자로 구조의 취약성과 관련이 있었으며, 그 이후 국제 원자력 기구는 사고 재발 방지를 위해 원자력 시설의 안전 프로토콜을 강화했다. 핵연료 용융에 대한 주요 안전 조치 중 하나는 방사능의 원자로 누출을 차단하는 것이다. 심층 방어는 방사성 물질의 효과적인 격리를 위해 핵 시설에서 사용되는 방법이다. AHWR은 방사능을 핵연료 내부에 유지하기 위한 규정과 장비를 갖춘 원자로에 적용되는 심층 방어 프로세스를 확립했다.^[4]

심층 방어 방식은 인적 오류 및 기계 오작동으로 인한 사고를 줄이기 위해 다음과 같은 절차를 설정한다.^[17][23]

AHWR은 가연성 우라늄-235 대신 토륨-232에서 생성되는 우라늄-233을 사용함으로써 재생 에너지 안전 분야의 혁신을 이루었다. 토륨에서 원자력을 추출하는 것은 세계의 석유, 석탄, 우라늄을 합친 것보다 더 많은 에너지를 제공한다고 알려져 있다. AHWR은 기존 경수로와 차별화되는 안전 기능을 갖추고 있다. 이러한 기능에는 강력한 안전 시스템, 내장 냉각 시스템을 통한 핵연료 열 감소, 다중 차단 시스템, 기술적 고장 시 시스템을 차단하는 독소를 포함하는 fail-safe 절차(FBR) 등이 있다.^[4] 과학자들이 원자로에서 피하고자 하는 잠재적 위협은 핵 에너지가 고온, 고압 및 화학 반응과 반응할 때 열 축적이 증가하는 것이다. AHWR은 음의 반응도 계수, 낮은 출력 밀도, 핵연료 내 낮은 잉여 반응도 및 적절한 재료 선택과 같은 기능을 통해 이러한 발생 가능성을 줄인다.^[11][24]

9. 논란 및 비판

토륨은 지구 지각에 우라늄보다 3배 더 풍부하지만, 경제적으로 채산성이 있는 매장량은 상대적으로 적다. 인도가 세계 최대 토륨 매장량을 보유하고 있다.^[6] 희토류 원소를 추출하는 광산의 광미에도 많은 양의 토륨이 포함되어 있는데, 이는 모나자이트가 일반적으로 희토류 원소와 토륨을 모두 포함하고 있기 때문이다. 토륨 수요가 낮아 광미는 화학적(토륨은 독성 중금속) 및 방사성 문제를 야기하는데, 핵발전소에서 토륨을 사용함으로써 부분적으로 해결할 수 있다. 천연 우라늄은 0.72%의 핵분열성 를 포함하지만, 토륨은 거의 전적으로 열중성자를 사용하여 핵분열성 으로 핵 변환될 수 있는 비옥한 로 구성된다. 이는 고속 증식로 없이 원래 물질의 더 많은 부분을 사용하고, 마이너 악티나이드 생성을 줄이는 장점이 있다. 그러나 토륨 자체는 핵분열성이 없으므로, 먼저 핵분열성 물질을 "생성"해야 하며, 을 "생성"한 원자로에서 사용하거나 별도의 "연소기" 원자로에서 사용하기 위해 화학적으로 분리해야 한다.

참조

_[1] 웹사이트 Archived copy http://dae.nic.in/wr[...] 2014-03-31
_[2] 웹사이트 India all set to tap thorium resources. http://www.deccanher[...] 2012-12
_[3] 웹사이트 REPROCESSING GROUP http://www.igcar.ern[...] 2014-07-18
_[4] 간행물 Advanced Heavy Water Reactor (AHWR) BARC (Bhabha Atomic Research Centre) (India) http://www.iaea.org/[...] International Atomic Energy Agency
_[5] 뉴스 India designs new atomic reactor for thorium utilisation http://archive.india[...] 2009-09-16
_[6] 웹사이트 Thorium http://www.world-nuc[...]
_[7] 논문 Spatial stabilization of Advanced Heavy Water Reactor 2011-07
_[8] 웹사이트 DAE AHWR Report http://dae.nic.in/wr[...] 2023-05-14
_[9] 웹사이트 Establishment of Atomic Power Stations in the Country. Aug 2013 http://pib.nic.in/ne[...] 2013-08-29
_[10] 뉴스 Fuel for India's nuclear ambitions http://www.neimagazi[...] Nuclear Engineering International 2017-04-07
_[11] 논문 Safety features in nuclear power plants to eliminate the need of emergency planning in public domain 2013-10
_[12] 뉴스 2013 AHWR Design Description (India) ARIS https://aris.iaea.or[...] 2021-03-21
_[13] 뉴스 On the Physics Design of Advanced Heavy Water Reactor (AHWR) https://www-pub.iaea[...] 2021-03-21
_[14] 논문 Advanced Heavy Water Reactor for Thorium Utilisation and Enhanced Safety http://www.barc.gov.[...] 2021-02
_[15] 웹사이트 アーカイブされたコピー http://dae.nic.in/wr[...] 2014-03-31
_[16] 웹사이트 India all set to tap thorium resources. http://www.deccanher[...] 2012-05-11
_[17] 문서 Advanced Heavy Water Reactor (AHWR) http://www.iaea.org/[...] Bhabha Atomic Research Centre 2013
_[18] 뉴스 India designs advanced atomic reactor for thorium utilization - agency http://search.proque[...] BBC Monitoring South Asia 2009-09-17
_[19] 웹사이트 Thorium http://www.world-nuc[...] 2011-02-02
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_[21] 웹사이트 インドの原子力開発と原子力施設 (14-02-11-02) https://atomica.jaea[...] 2016-01-07
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_[24] 문서 Safety features in nuclear power plants to eliminate the need of emergency planning in public domain http://download.spri[...] 2013
_[25] 웹사이트 http://www.energytim[...]
_[26] 웹인용 Untitled Document http://www.kaif.or.k[...] 2011-09-16