용융염 원자로
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1. 개요
용융염 원자로는 핵연료를 용융 상태의 염에 용해시켜 사용하는 원자로의 일종이다. 1950년대부터 연구가 시작되었으며, 항공기 핵 추진 프로그램 지원을 위한 ARE(Aircraft Reactor Experiment) 등의 실험을 거쳤다. MSRE(Molten-Salt Reactor Experiment)를 통해 액체 불화 토륨 원자로(LFTR)의 핵심 기술을 시뮬레이션하기도 했다. 용융염 원자로는 높은 열효율, 핵연료 이용률 증대, 핵폐기물 감소, 안전성 향상 등의 장점을 가지고 있으며, 다양한 크기로 제작이 가능하다. 하지만 고온 용융염의 부식성, 핵확산 우려, 기술적 과제 등의 단점도 존재한다. 현재는 중국, 캐나다, 미국 등 여러 국가에서 개발이 진행 중이며, 4세대 원자로의 유망한 대안으로 주목받고 있다.
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용융염 원자로 | |
---|---|
개요 | |
![]() | |
유형 | 원자로 |
냉각재 | 용융염 |
특징 | |
핵연료 | 우라늄 플루토늄 토륨 초우라늄 원소 |
노심 | 흑연 감속로 고속로 |
냉각재 | 플루오린화 리튬-베릴륨 (FLiBe) 플루오린화 리튬-나트륨-지르코늄 (FLiNaK) |
장점 | 높은 안전성 높은 효율 핵확산 저항성 다양한 핵연료 사용 가능 소형화 가능 |
단점 | 재료 부식 문제 운전 경험 부족 방사성 폐기물 처리 문제 |
역사 | |
최초 개발 | 1950년대 (미국) |
주요 개발 국가 | 미국 러시아 프랑스 중국 일본 대한민국 |
주요 개발 기관 | 오크리지 국립 연구소 (ORNL) 쿠르차토프 연구소 프랑스 원자력청 (CEA) 상하이 응용 물리학 연구소 (SINAP) |
기술적 세부 사항 | |
작동 온도 | 700-800 °C |
열효율 | 40-50% |
핵연료 형태 | 용융염 (액체) |
감속재 | 흑연, 중수 (일부 설계) |
원자로 유형별 분류 | |
연료 형태 | 균질형 (Homogeneous) 이질형 (Heterogeneous) |
냉각 방식 | 단일 유체 (Single-fluid) 이중 유체 (Dual-fluid) |
중성자 스펙트럼 | 열중성자 (Thermal) 고속중성자 (Fast) |
잠재적 응용 분야 | |
전력 생산 | 기저 부하 전원 |
수소 생산 | 고온 전기 분해 |
핵폐기물 처리 | 토륨 연료 주기 |
공정열 공급 | 산업 공정 |
안전 특징 | |
음의 온도 피드백 | 온도 증가 시 반응도 감소 |
자연 순환 냉각 | 전력 없이 냉각 가능 |
드레인 탱크 | 비상시 연료 배출 |
추가 정보 | |
관련 연구 | 차세대 원자로, 지속 가능한 에너지 |
참고 자료 | 오크리지 국립 연구소 보고서 국제 원자력 기구 (IAEA) 간행물 |
실험용 용융염 원자로 (TMSR-LF1) | |
국가 | 중국 |
기관 | 상하이 응용 물리학 연구소 |
연료 | 토륨 |
운영 허가 | 2023년 6월 15일 |
참고자료 | 중국 용융염 원자로 운영 허가 |
2. 역사
MSR 연구는 미국의 항공기 핵 추진 프로그램을 지원하기 위해 미국 항공기 원자로 실험(ARE)으로 시작되었다. ARE는 핵 동력 폭격기의 엔진으로 사용하기 위해 높은 에너지 밀도를 얻도록 설계된 2.5 MWth 원자로 실험이었다.
이 프로젝트에는 국립 원자로 시험소(현재 아이다호 국립 연구소)에서 열 전달 원자로 실험: HTRE-1, HTRE-2 및 HTRE-3으로 통칭되는 고온 및 엔진 테스트를 포함한 실험과 오크리지 국립 연구소에서 실험적인 고온 용융염 원자로인 ARE가 포함되었다.
ARE는 (53-41-6 mol%) 용융 플루오르염을 연료로 사용했으며 산화 베릴륨(BeO)으로 감속했다. 액체 나트륨은 이차 냉각제였다.
이 실험은 860 °C의 최고 온도를 기록했다. 1954년 9일 동안 100 MWh의 전력을 생산했다. 이 실험은 금속 구조와 배관에 인코넬 600 합금을 사용했다.[32]
1957년 오크리지 국립 연구소의 임계 실험 시설에서 MSR이 운영되었다. 이는 프랫 & 휘트니 항공사(PWAC)의 순환 연료 원자로 프로그램의 일부였다. 이것은 프랫 & 휘트니 항공기 원자로-1(PWAR-1)이라고 불렸다. 이 실험은 몇 주 동안 진행되었고 임계에 도달했지만 기본적으로 무전력이었다. 작동 온도는 약 675℃로 일정하게 유지되었다. PWAR-1은 를 주요 연료 및 냉각제로 사용했다. 이는 지금까지 건설된 3개의 임계 MSR 중 하나였다.[33]
2. 1. 항공기 원자로 실험 (ARE)
항공기 원자로 실험(ARE)은 미국의 항공기 핵 추진 프로그램을 지원하기 위해 시작된 2.5 MWth 원자로 실험이다.[32] 이 실험은 핵 동력 폭격기의 엔진으로 사용하기 위해 높은 에너지 밀도를 얻도록 설계되었다.
ARE는 연료로 NaF-ZrF4-UF4 (53-41-6 mol%) 용융 플루오르염을 사용했으며, 산화 베릴륨(BeO)을 감속재로 사용했다. 액체 나트륨은 이차 냉각재로 사용되었다.[32] 1954년에 1000시간 동안 가동되었으며,최고 온도 860℃에서 100 MWh의 전력을 생산했다.[32] 이 실험에서는 금속 구조물과 배관에 인코넬 600 합금이 사용되었다.[32]
1957년에는 오크리지 국립 연구소의 임계 실험 시설에서 MSR이 운영되었다. 이는 프랫 & 휘트니 항공사의 순환 연료 원자로 프로그램의 일부인 프랫 & 휘트니 항공기 원자로-1(PWAR-1)이었다. 이 실험은 몇 주 동안 진행되었고 임계에 도달했지만 기본적으로 무전력이었다. 작동 온도는 약 675℃로 일정하게 유지되었다. PWAR-1은 NaF-ZrF4-UF4를 주요 연료 및 냉각제로 사용했으며, 건설된 3개의 임계 MSR 중 하나였다.[33]
2. 2. 용융염 원자로 실험 (MSRE)
오크리지 국립 연구소(ORNL)는 1960년대에 용융염 원자로 실험을 주도했다.[34] 1960년대 ORNL의 용융염 원자로 실험은 용융염 원자로 실험(MSRE)으로 정점에 달했다.[34] 이 실험은 액체 불화 토륨 원자로(LFTR)의 중성자 "핵심"을 시뮬레이션하는 7.4 MWth 테스트 원자로를 통해 진행되었다.[34]MSRE는 하스텔로이-N으로 만들어진 배관, 코어 용기 및 구조 부품을 사용했으며, 열분해 흑연으로 감속되었다.[34] 1965년에 임계에 도달하여 4년 동안 가동되었다.[34] 연료는 LiF-BeF2-ZrF4-UF4 (65-30-5-0.1 몰 분율)을 사용하였으며,[34] 2차 냉각 계통으로는 FLiBe(2Lif-BeF2)을 사용하였다.[34] 이 원자로는 최고 650℃의 온도에서[34] 최대 출력으로 1.5년에 상당하는 가동을 할 수 있었다.[34]

2. 3. 오크리지 국립 실험실 원자로 (ORNL MSR)
1970년부터 1976년까지 오크리지 국립 실험실(ORNL)에서는 LiF-BeF2-ThF4-UF4 (72-16-12-0.4 몰%)를 연료로 하는 용융염 원자로(MSR)를 설계했다.[116] 감속재로는 흑연을 사용하고, 2차 냉각재로는 NaF-NaBF4를 사용했으며, 최고 온도는 705℃였다.[116] 이 원자로는 설계만 이루어졌을 뿐 실제로 건설되지는 않았다.2. 4. 후지 MSR (Fuji MSR)
후지 MSR은 100 MWe의 출력을 지닌 토륨 연료주기를 이용한 증식 용융염 원자로 디자인으로, 오크리지 국립 실험실의 원자로와 기술적으로 유사하다. 이 원자로는 일본, 미국, 러시아 이 세 국가의 컨소시엄에서 개발하였다.[117] 증식로로 이 원자로는 토륨을 핵연료로 전환시켰다.[117] 또한 원자로로서 중성자 조절에 의한 고유의 안정성도 있었다. 대부분의 용융염로가 그렇듯, 화학적으로 안정되어 있으며 저압에 핵폭발과 독소에 내성을 가지고 있었다.[118] 이 원자로는 원래 계획된 크기로 만들기 위해 20년을 개발하기로 되어 있는데[119] 재정에 문제를 겪고 있다[120]2. 5. 영국, 소련의 MSR 연구 (1960-1970년대)
영국의 원자력 연구소(AERE)는 하웰, 컬럼, 리스리, 윈프리트에 있는 국립 연구소를 통해 대체 MSR 설계를 개발하고 있었다. AERE는 염화물을 사용하고 납으로 냉각되는 2.5GWe 용융염 고속로(MSFR) 개념에 집중하기로 결정했다.[40] 또한 헬륨 가스를 냉각제로 연구했다.[41][42]영국의 MSFR은 영국의 플루토늄 비축량 때문에 프로그램의 연구 과학자들이 '무료'라고 여겼던 연료인 플루토늄으로 연료를 공급받았을 것이다. 설계가 다름에도 불구하고, ORNL과 AERE는 이 기간 동안 정보 교환 및 전문가 방문을 통해 연락을 유지했다. 이 개념에 대한 이론적 연구는 1964년에서 1966년 사이에 수행되었으며, 실험 연구는 1968년에서 1973년 사이에 진행되었다. 이 프로그램은 연간 약 10만 파운드에서 20만 파운드(2005년 기준 2백만 파운드에서 3백만 파운드에 해당)의 정부 자금을 지원받았다. 이 자금 지원은 1974년에 종료되었는데, 이는 같은 해에 임계 상태에 도달하여 자금 지원의 우선순위로 여겨졌던 던레이의 프로토타입 고속로의 성공에 부분적으로 기인한다.[40]
소련에서는 1970년대 후반 쿠르차토프 연구소에서 용융염 원자로 연구 프로그램이 시작되었다. 여기에는 이론적 및 실험적 연구가 포함되었으며, 특히 용융염 용기 재료의 기계적, 부식 및 방사선 특성에 대한 조사가 이루어졌다. 주요 연구 결과는 MSR의 실용적인 구현을 막는 물리적 또는 기술적 장애물이 없다는 결론을 뒷받침했다.[43][44][45]
3. 기술적 특징
용융 연료를 사용하는 원자로는 많은 핵 기술자들을 흥분시켰는데, 그중 제일 저명한 사람은 경수로 특허를 가지고 있을 뿐 아니라, 오크리지 국립 연구소의 중역인 앨빈 웨인버그(Alvin Weinberg)이었다. 두 가지 개념이 연구되었는데, 첫째로는 토륨이 중성자를 흡수해 변환된 우라늄 233/uranium 233영어을 태우는 토륨 연료주기를 사용하는 높은 중성자 밀도를 가진 2개의 흐름을 가진 원자로였다. 이 원자로를 개발하면서 배관을 어떻게 짜야 되는지, 그리고 이 파이프를 만들기에 적당한 금속을 찾는 문제가 생겼다. 강철과 니켈 합금은 많은 중성자를 흡수하거나 혹은 금방 부식되었으며, 흑연의 경우 너무 물렀으며, 중성자 노출을 받아 격렬히 부풀러 올랐다. 지르코늄의 경우 중성자에 강했지만, 뜨거운 불화물로 인해서 금방 부식되어 버렸다. 2가지 문제는 그 후 오크리지 국립 실험실의 연구자들이 풀어냈는데, 파이프의 부식을 막기 위해서 티타늄과 하스텔로이-N 합금을 사용하였다.
또한 기술자들은 노심과 블랭킷간의 중성자 농도를 유지시키기 위한 감속재 봉을 조심히 조각해야 된다는 것을 발견하였으며, 간단하지만, 한 흐름을 쓰는 원자로에 비해 값도 싸지만, 토륨과 우라늄염이 공존할 수 있게 재처리를 조절해야 했다.
용융염 원자로는 연료 혼합물이 용융 상태로 유지되기 때문에 물 냉각로에서 발생하는 원자로 용융 시나리오를 제거한다. 연료 혼합물은 비상 시나리오에서 펌핑 없이 반응로에서 격납 용기로 배출되도록 설계되었으며, 여기서 연료가 고체화되어 반응을 멈춘다. 또한 수소 발생이 일어나지 않는다. 이는 후쿠시마 원자력 사고와 같은 수소 폭발 위험을 제거한다. 이들은 일반적인 경수로 (LWR)의 대기압의 75~150배가 아닌 대기압 또는 그 근처에서 작동한다. 이는 원자로 압력 용기의 필요성과 비용을 줄여준다. 기체 핵분열 생성물 (Xe 및 Kr)은 연료 염에 대한 용해도가 낮으며, 연료에서 기포가 빠져나오면서 안전하게 포집될 수 있다. 기존 원자로에서 발생하는 것처럼 연료 튜브 내부의 압력을 증가시키지 않는다. MSR은 작동 중에도 재연료 공급이 가능하며 (본질적으로 온라인-핵연료 재처리), 기존 원자로는 재연료 공급을 위해 가동을 중단한다(중수 CANDU 또는 Atucha급 PHWR, 경수 냉각 흑연 감속 RBMK, 매그녹스, AGR과 같은 영국에서 제작된 가스 냉각로와 같은 예외가 있다). MSR 작동 온도는 약 700℃로, 약 300℃인 기존 LWR보다 훨씬 높다. 이는 발전 효율과 공정 열 기회를 증가시킨다.
관련 설계 과제에는 고온 염의 부식성과 중성자 플럭스에 의해 핵변환되면서 염의 화학적 조성이 변화하는 문제가 있다.
MSR, 특히 용융 염에 연료가 있는 MSR은 낮은 작동 압력과 높은 온도를 제공한다. 이러한 점에서 MSR은 기존의 경수로보다는 액체 금속 냉각로와 더 유사하다. MSR 설계는 현재 기존 원자력 발전기에 사용되는 것과 달리, 폐쇄형 연료 주기를 갖는 증식로인 경우가 많다.
MSR은 임계 사고를 방지하기 위해 음의 온도 반응도 계수와 허용 가능한 큰 온도 상승을 이용한다. 연료가 염에 있는 설계의 경우, 염은 전력 변동에 따라 즉시 열적으로 팽창한다. 기존 원자로에서는 연료에서 나오는 열을 감속재로 전달해야 하므로 음의 반응도가 지연된다. 추가적인 방법은 원자로 아래에 별도의 수동 냉각 용기를 배치하는 것이다. 연료는 오작동 또는 유지 보수 중에 용기로 배출되어 반응을 중단시킨다.[5]
일부 설계의 온도는 공정 열을 생산할 만큼 높으며, 이로 인해 GEN-IV 로드맵에 포함되었다.[6]
용융염 원자로는 용융염을 사용하는 것을 포함하여 다양한 방식으로 냉각될 수 있다.
용융염 냉각 고체 연료 원자로는 제4세대 제안에서 "용융염 원자로 시스템", 용융염 변환 원자로(MSCR), 고급 고온 원자로(AHTR) 또는 불화물 고온 원자로(FHR, DOE 선호 지정)라고 불린다.[12]
FHR은 연료를 쉽게 재처리할 수 없으며, 프로젝트 시작부터 최대 20년이 소요되는 연료봉을 제작하고 검증해야 한다. FHR은 저압, 고온 냉각제의 안전성과 비용상의 이점을 유지하며, 이는 액체 금속 냉각로와도 공유된다. 특히, 노심에서 증기가 생성되지 않고 (비등수형 원자로와 같이) 거대하고 비싼 강철 압력 용기가 필요하지 않다 (가압수형 원자로에 필요). 고온에서 작동할 수 있으므로 열을 전기로 변환하는 데 효율적이고 가벼운 브레이턴 사이클 가스 터빈을 사용할 수 있다.
현재 FHR에 대한 연구의 상당 부분은 용융염 부피와 관련 비용을 줄이는 작고 컴팩트한 열 교환기에 집중되어 있다.[13]
용융염은 부식성이 강하며, 부식성은 온도에 따라 증가한다. 1차 냉각 루프의 경우 고온 및 강렬한 방사선 하에서 부식을 견딜 수 있는 재료가 필요하다. 실험 결과에 따르면 하스텔로이-N 및 유사 합금이 약 700 °C까지의 작동 온도에서 이러한 작업에 적합하다. 그러나 운전 경험은 제한적이다. 더 높은 작동 온도가 바람직하며, 850℃에서 열화학 사이클을 통한 수소 생산이 가능하다. 이 온도 범위에 대한 재료는 아직 검증되지 않았지만, 탄소 복합 재료, 몰리브덴 합금(예: TZM), 탄화물 및 내화 금속 기반 또는 ODS 합금이 가능할 수 있다.
염 혼합물은 원자로를 더 안전하고 실용적으로 만들기 위해 선택됩니다.
플루오린은 단 하나의 안정 동위 원소 ()를 가지며, 중성자 폭격 하에서 쉽게 방사능을 띠지 않는다. 플루오린은 염소 및 다른 할로겐화물에 비해 더 적은 중성자를 흡수하고 중성자를 더 잘 감속("감속")시킨다. 낮은 원자가 플루오린화물은 높은 온도에서 끓지만, 많은 5플루오린화물과 6플루오린화물은 낮은 온도에서 끓는다. 구성 원소로 분해되기 전에 매우 뜨거워야 한다. 이러한 용융염은 끓는점보다 훨씬 낮은 온도를 유지할 때 "화학적으로 안정"하다. 플루오린화물 염은 물에 잘 녹지 않으며 가연성 수소를 생성하지 않는다.
염소는 두 개의 안정 동위원소( 및 )를 가지고 있으며, 이들 사이에 의 중성자 흡수를 촉진하는 느리게 붕괴하는 동위원소를 가지고 있다.
염화물은 고속 증식로의 건설을 가능하게 한다. 염화물 염을 사용하는 원자로 설계에 대한 연구는 훨씬 적게 이루어졌다. 염소는 불소와 달리, 무거운 안정 동위원소 을 분리하기 위해 동위원소 분리를 거쳐야 하므로, 이 중성자를 흡수하여 이 된 다음 베타 붕괴를 통해 로 붕괴될 때 발생하는 사염화황의 생성을 줄인다.
리튬은 정제된 형태로 존재해야 한다. 는 중성자를 효과적으로 포획하여 삼중수소를 생성하기 때문이다. 순수한 를 사용하더라도 리튬을 함유한 염은 중수형 원자로에 필적하는 상당한 양의 삼중수소를 생성한다.
용융염 원자로에 사용되는 염은 일반적으로 공융 혼합물에 가까워 녹는점을 낮춘다. 녹는점이 낮으면 시동 시 염을 녹이는 과정이 단순해지고, 열교환기에서 냉각될 때 염이 얼어붙을 위험이 줄어든다.
용융 불화물 염의 높은 "산화 환원 창" 때문에, 용융 염 시스템의 산화 환원 전위를 변경할 수 있다. 불소-리튬-베릴륨("FLiBe")은 베릴륨을 첨가하여 산화 환원 전위를 낮추고 부식을 거의 제거하는 데 사용할 수 있다. 그러나 베릴륨은 극도로 유독하므로 환경으로의 방출을 방지하기 위해 특별한 예방 조치를 설계에 반영해야 한다. 다른 많은 염은 배관 부식을 일으킬 수 있으며, 특히 반응성이 높은 수소를 생성할 정도로 원자로의 온도가 높을 경우 더욱 그렇다.
현재까지 대부분의 연구는 FLiBe에 집중되어 있는데, 이는 리튬과 베릴륨이 상당히 효과적인 감속재이며, 각 구성 염보다 낮은 녹는점을 가진 공융 염 혼합물을 형성하기 때문이다. 베릴륨은 또한 중성자 배증을 수행하여 중성자 경제성을 향상시킨다. 이 과정은 베릴륨 핵이 단일 중성자를 흡수한 후 두 개의 중성자를 방출할 때 발생한다. 연료 운반 염의 경우 일반적으로 이 1% 또는 2% (몰 기준) 첨가된다. 토륨 및 플루토늄 불화물도 사용되어 왔다.
용융염을 준비하고 취급하는 기술은 처음 오크리지 국립 연구소(ORNL)에서 개발되었다.[14] 염 정화의 목적은 산화물, 황, 금속 불순물을 제거하는 것이다. 산화물은 원자로 작동 시 고체 입자의 침전을 초래할 수 있다. 황은 작동 온도에서 니켈 기반 합금을 부식시키기 때문에 제거해야 한다. 크롬, 니켈, 철과 같은 구조 금속은 부식 제어를 위해 제거해야 한다.
400 °C에서 작동하도록 HF와 헬륨 스윕 가스를 사용하는 수분 함량 감소 정화 단계가 지정되었다. 염 혼합물의 산화물 및 황 오염은 가스 분사를 사용하여 제거되었으며, HF/ 혼합물을 사용하여 염을 600 °C로 가열하였다.[14] 염 혼합물의 구조 금속 오염은 700 °C에서 수소 가스 분사를 사용하여 제거되었다.[14] 고체 플루오린화 수소 암모늄은 산화물 제거를 위한 더 안전한 대안으로 제안되었다.[15]
융융염 원자로의 장점 중 하나는 온라인 처리가 가능하다는 점이다. 연속적인 처리는 핵분열 생성물의 재고를 줄이고, 부식을 제어하며, 특히 제논과 같이 중성자 흡수 단면적이 큰 핵분열 생성물을 제거하여 중성자 경제성을 향상시킨다. 이는 MSR을 중성자가 부족한 토륨 연료 주기에 특히 적합하게 만든다. 온라인 연료 처리는 연료 처리 사고의 위험을 야기할 수 있으며,[16] 이는 방사성 핵종의 방출을 유발할 수 있다.
일부 토륨 증식 시나리오에서는 중간 생성물인 프로트악티늄 을 원자로에서 제거하여 고순도 으로 붕괴되도록 할 수 있다. 이는 매력적인 핵무기 제조 물질이다. 더 현대적인 설계는 더 낮은 비출력 또는 별도의 토륨 증식 담요를 사용할 것을 제안한다. 이는 프로트악티늄을 희석시켜 소수의 프로트악티늄 원자만이 두 번째 중성자를 흡수하거나 (n, 2n) 반응(입사 중성자가 흡수되지 않고 대신 핵에서 중성자를 떨어뜨리는 반응)을 통해 을 생성하게 한다. 는 반감기가 짧고 그 붕괴 연쇄에 강한 감마선 방출 물질이 포함되어 있어, 우라늄의 동위원소 혼합물을 핵무기 제조에 덜 매력적으로 만든다. 이러한 이점은 더 큰 핵분열성 물질 재고 또는 다량의 담요 염을 사용하는 2유체 설계의 추가 비용과 함께 제공된다.
필요한 연료 염 재처리 기술은 실험실 규모에서 입증되었지만, 본격적인 상업용 원자로 설계를 위한 전제 조건은 경제적으로 경쟁력 있는 연료 염 정화 시스템을 설계하기 위한 연구 개발이다.
3. 1. 장점
용융염 원자로는 다음과 같은 다양한 장점을 가진다.[35]- 높은 열효율: 용융염 원자로는 일반 경수로보다 더 높은 온도(650℃ 이상, 최대 950℃)에서 동작하여 가스 터빈 발전기를 통해 높은 열효율을 얻을 수 있다.[3] 이는 연료 효율을 높이고, 폐기물 발생량 및 보조 장치 비용을 최대 50%까지 줄일 수 있어 4세대 원자로의 요건을 충족한다.[6]
- 핵연료 이용률 증대: 토륨 연료 주기를 이용하는 토륨 증식로는 경수로와 유사하게 에너지가 적은 열 중성자를 사용한다. 이는 우라늄-플루토늄을 연료로 사용하는 고속 증식로보다 더 안전하며, 풍부한 토륨 연료를 사용할 수 있고 값비싼 연료 농축 설비가 필요 없다는 장점이 있다.[3] 일부 설계는 고속 중성자와 호환되어 경수로에서 나온 , (원자로 등급 플루토늄)와 같은 초우라늄 원소를 "연소"시킬 수 있다.
- 핵폐기물 감소: 연료의 액체상은 핵분열 생성물을 연료에서 분리하기 위해 파이로처리될 수 있으며, 이는 기존의 재처리보다 장점이 있을 수 있다. 화학 분리는 장수명 악티늄족 원소를 원자로 연료로 변환하여, 배출되는 폐기물의 대부분은 짧은 반감기를 가진 핵분열 생성물이 된다. 이로 인해 격리 기간을 경수로 사용 후 연료가 필요한 수만 년에 비해 300년으로 줄일 수 있다.
- 안전성 향상:
- 용융염은 1기압 상태에서 방사능과 높은 열에도 불구하고 기계적, 화학적으로 안정적이다. 핵분열 잔재물로 생긴 이온은 순환 중에 제거할 수 있고, Xe-135 같은 방사성 불활성 기체도 격리시킬 수 있다.[3]
- 사고 시에도 용융염은 물이나 공기 중에서 타지 않으며, 용융염에 포함된 악티늄족과 방사성을 지닌 핵분열성 물질도 물에 녹지 않는다.
- 노심에 고압 증기가 없어 증기 폭발이 일어나지 않으며, 경수로와 같은 고압 증기로 인한 비용이 발생하지 않는다.
- 원자로 용융 시나리오를 제거한다. 연료 혼합물은 비상시 펌핑 없이 반응로에서 격납 용기로 배출되어 고체화되면서 반응을 멈춘다.
- 후쿠시마 원자력 사고와 같은 수소 폭발 위험이 없다.
- 임계 사고를 방지하기 위해 음의 온도 반응도 계수와 허용 가능한 큰 온도 상승을 이용한다.
- MSR은 작동 중에도 재연료 공급이 가능하다.
- 다양한 크기: 용융염로는 작은 크기(100MWe 정도)뿐만 아니라 큰 크기로도 만들 수 있어, 발전소 건설 시 예산 지출 및 사업적 위험도를 줄일 수 있다.
- 빠른 개발: 연료의 공학적 안정성 확보에 시간이 많이 걸리는 새로운 원자로 디자인과 달리, 용융염 원자로는 이미 안정성이 확인되어 개발 속도를 빠르게 진행할 수 있다.
- 기타 장점:
- MSR에서는 수동적인 붕괴열 제거가 가능하다.
- 저압 MSR은 값비싼 강철 코어 격납 용기, 배관 및 안전 장비가 필요하지 않다.
- 연료봉 제조는 염 합성을 통해 대체된다.
- MSR은 60초 이내에 부하 변동에 반응할 수 있다.
- MSR은 ARE에서 입증된 바와 같이 높은 "비출력"(저질량에서 고출력)을 제공할 수 있다.[32]
- 잠재적인 중성자 경제성은 MSR이 중성자 빈곤 토륨 연료 주기를 활용할 수 있음을 시사한다.
안정염 원자로(SSR)의 경우, 운영 비용이 낮을 것으로 예상된다.[19]
액체 플루오린화물 토륨 원자로(LFTR)는 토륨 연료 주기를 활용하며, 일본, 러시아, 호주, 미국, 그리고 중국 정부의 민간 기업들이 개발에 관심을 표명하고 있다.[27][28][29]
3. 2. 단점
용융염 원자로는 여러 가지 단점을 가지고 있다.[7][8][9][10][11]우선, 고온의 용융염은 부식을 일으키기 쉽다. 특히, 액체 플루오라이드 토륨 염은 이상의 온도에서 크롬을 용해시켜 스테인리스강 부품을 손상시킬 위험이 있다.[9] 오크리지 국립 연구소(ORNL)에서는 이 문제를 해결하기 위해 하스텔로이-N 합금을 개발했다.[9] 316H, 800H 및 인코넬 617과 같은 다른 구조용 강재도 사용될 수 있다.[9]
둘째, 핵확산의 우려가 있다. 일부 용융염 원자로는 증식로로 전환되어 무기급 핵물질을 생산할 수 있다.[10] 토륨 증식 과정에서 생성되는 중간 생성물인 233Pa을 원자로에서 제거하면 고순도 233U을 얻을 수 있는데, 이는 핵무기 제조에 사용될 수 있는 물질이다. 또한 233U은 232U가 약간 포함되어 있는데, 이 232U는 강력한 감마선을 방사하며 208Tl로 붕괴한다. 이때 감마선은 전자에 간섭하여, 핵무기를 만드는데 어렵게 만들어버린다. 그러나 천연 우라늄을 농축하는 농축기술로 인해서 핵무기를 만드는 쉬운 길이 될 것이다.
셋째, 기술적인 과제가 남아있다. 순환형 연료염 설계의 경우, 연료에 용해된 방사성 핵종이 펌프 및 열 교환기와 같은 장비에 접촉하여 완전 원격 유지보수가 필요할 수 있다. 일부 용융염 원자로는 노심 혼합물을 관리하고 핵분열 생성물을 제거하기 위해 현장에서 화학 처리를 필요로 한다. 또한, 고체 감속재에 대한 중성자 손상은 노심 수명을 제한할 수 있다. MSRE는 흑연 감속재가 느슨한 공차를 갖도록 설계되어 중성자 손상이 발생해도 결과를 초래하지 않도록 했다. "이중 유체" 용융염 원자로 설계는 흑연이 중성자에 의해 폭격당할 때 크기가 변하기 때문에 흑연 배관을 사용하지 않는다.[35]
넷째, 일부 용융염 원자로는 용융염을 담기 위해 고가의 니켈 합금에 의존한다. 이러한 합금은 높은 중성자속 하에서 중성자 취화의 경향이 있다.[7]
다섯째, 온라인 연료 처리는 연료 처리 사고의 위험을 야기할 수 있으며,[16] 이는 방사성 핵종의 방출을 유발할 수 있다.
3. 3. 일반 경수로와의 비교
용융염은 화학적으로 안정되어 있어 핵분열 생성물을 느리게 반응시키거나 공기 중으로 내놓지 않는다. 또한 용융염은 물이나 공기 중에서 타지 않는다. 노심과 1차 냉각계통은 대기압과 비슷한 압력으로 순환되며, 증기 폭발 우려도 없고 사고 시 방사능을 지닌 분열 생성물이 공기 중으로 분산되지 않게 잡아둔다. 용융염로의 노심은 노심 용융에서 보호받으며, 최악의 사고는 용융염 누출 사고이다. 이 경우 용융염은 수동적인 냉각 공간으로 빠지게 되어 사고를 조종할 수 있다.몇몇 종류의 용융염로는 효율적이다. 노심과 1차 계통은 압력이 낮아 얇은 재질로 건설 가능하고, 비싼 용접이 필요 없어 두꺼운 압력용기를 쓰는 일반 경수로보다 가격이 저렴하다. 메가와트 대비 핵분열성 물질이 다른 원자로에 비해 적고, 농축 공정이나 연료집합체를 사용할 필요가 없어 가격 경쟁력이 있다. 높은 온도로 가동할 수 있어 경제성이 높고 수소 생산 등 다른 화학 반응에도 사용할 수 있다. 이러한 점 때문에 용융염로는 4세대 원자로에 포함되었다.
2020년의 체계적인 문헌 검토에 따르면, 용융염 원자로(MSR)의 경제성과 재정에 대한 정보는 매우 제한적이며, 정보의 질이 낮고 비용 추정이 불확실하다.[18] 방사성 연료가 연료 핀 내 용융염 형태로 포함되고 1차 회로가 방사능을 띠지 않는 안정염 원자로(SSR)의 경우, 운영 비용이 낮을 것으로 예상된다.[19]
4. 종류
용융염 원자로는 연료와 냉각재의 조합에 따라 크게 세 가지로 분류할 수 있다.
분류 | 예시 |
---|---|
용융염 연료 – 외부 순환 | ARE • AWB • CMSR • DMSR • EVOL • LFTR • IMSR • MSFR • MSRE • MSDR • DFR • TMSR-500 • TMSR-LF |
용융염 연료 – 내부 순환 | UNOMI |
용융염 연료 – 정적 | SSR |
용융염 냉각제 전용 | FHR • TMSR-SF |
각 종류별 특징은 다음과 같다.
- '''용융염 연료 – 외부 순환''': 핵연료가 용융염에 용해되어 외부 순환하는 방식이다.
- '''용융염 연료 – 내부 순환''': 핵연료가 용융염에 용해되어 원자로 내부에서 순환하는 방식이다.
- '''용융염 연료 – 정적''': 핵연료가 용융염에 용해되어 있지만 순환하지 않는 방식이다. SSR이 대표적이다.
- '''용융염 냉각제 전용''': 고체 연료를 사용하고, 용융염은 냉각제로만 사용하는 방식이다. DOE가 선호하는 불화물 염 냉각 고온 원자로(FHR)가 대표적이다.[12] FHR은 저압, 고온 냉각재를 사용하므로 안전성과 비용 측면에서 유리하며, 액체 금속 냉각 원자로와 유사한 이점을 가진다. 특히, 노심에서 증기가 발생하지 않아 비등수형 원자로처럼 크고 비싼 강철 압력 용기가 필요 없고, 가압수형 원자로에 비해 단순한 구조를 가진다. 또한 고온 작동이 가능하여 브레이턴 사이클 가스 터빈을 통해 효율적인 전력 생산이 가능하다. 그러나 FHR은 연료 재처리가 어렵고, 연료봉 제작 및 검증에 최대 20년이 소요된다는 단점이 있다. 현재 FHR 연구는 용융염 부피와 비용을 줄이기 위한 소형 열 교환기 개발에 집중하고 있다.[13]
4. 1. 용융염 연료 - 외부 순환
용융염 원자로는 소모형 또는 증식형일 수 있다. 또한, 고속 또는 열 중성자, 또는 중간 중성자 원자로일 수 있다. 열 중성자 원자로는 일반적으로 중성자를 감속하고 온도를 조절하기 위해 감속재(보통 흑연)를 사용한다. 다양한 핵연료(저농축 우라늄, 토륨, 열화 우라늄, 폐기물)와 냉각재(플루오라이드, 염화물, 리튬, 베릴륨, 혼합물)를 사용할 수 있다. 핵연료 주기는 폐쇄형 또는 왕복형일 수 있다. 원자로는 일체형 또는 모듈형, 대형 또는 소형으로 설계할 수 있다. 원자로는 루프형, 모듈형 또는 일체형 구성을 채택할 수 있다.4. 2. 용융염 연료 - 내부 순환
용융염 원자로는 소모형 또는 증식형일 수 있다. 또한, 고속 또는 열 중성자, 또는 중간 중성자 원자로일 수 있다. 열 중성자 원자로는 일반적으로 중성자를 감속하고 온도를 조절하기 위해 감속재(보통 흑연)를 사용한다. 다양한 핵연료(저농축 우라늄, 토륨, 열화 우라늄, 폐기물)와 냉각재(플루오라이드, 염화물, 리튬, 베릴륨, 혼합물)를 사용할 수 있다. 핵연료 주기는 폐쇄형 또는 왕복형일 수 있다. 원자로는 일체형 또는 모듈형, 대형 또는 소형으로 설계할 수 있다. 원자로는 루프형, 모듈형 또는 일체형 구성을 채택할 수 있다.4. 3. 용융염 연료 - 정적
용융염 원자로는 소모형 또는 증식형일 수 있다. 또한, 고속 또는 열 중성자, 또는 중간 중성자 원자로일 수 있다. 열 중성자 원자로는 일반적으로 중성자를 감속하고 온도를 조절하기 위해 감속재(보통 흑연)를 사용한다. 다양한 핵연료(저농축 우라늄, 토륨, 열화 우라늄, 폐기물)와 냉각재(플루오라이드, 염화물, 리튬, 베릴륨, 혼합물)를 사용할 수 있다. 핵연료 주기는 폐쇄형 또는 왕복형일 수 있다. 원자로는 일체형 또는 모듈형, 대형 또는 소형으로 설계할 수 있다. 원자로는 루프형, 모듈형 또는 일체형 구성을 채택할 수 있다.4. 4. 용융염 냉각제 전용
용융염 냉각 고체 연료 원자로는 제4세대 원자로 제안에서 "용융염 원자로 시스템", 용융염 변환 원자로(MSCR), 고급 고온 원자로(AHTR) 또는 DOE가 선호하는 명칭인 불화물 고온 원자로(FHR) 등으로 불린다.[12]FHR은 저압, 고온 냉각재의 안전성과 비용상의 이점을 가지며, 이는 액체 금속 냉각 원자로와도 공유된다. 특히, 노심에서 증기가 생성되지 않아 (비등수형 원자로와 같이) 거대하고 비싼 강철 압력 용기가 필요하지 않다 (가압수형 원자로에 필요). 고온에서 작동하므로 열을 전기로 변환하는 데 효율적이고 가벼운 브레이턴 사이클 가스 터빈을 사용할 수 있다. FHR은 연료를 쉽게 재처리할 수 없으며, 프로젝트 시작부터 최대 20년이 소요되는 연료봉을 제작하고 검증해야 한다.
현재 FHR 연구는 용융염 부피와 관련 비용을 줄이는 작고 컴팩트한 열 교환기에 집중되어 있다.[13]
용융염은 부식성이 강하며, 온도가 올라갈수록 부식성도 증가한다. 1차 냉각 루프의 경우 고온 및 강렬한 방사선 하에서 부식을 견딜 수 있는 재료가 필요하다. 실험에 따르면 하스텔로이-N 및 유사 합금이 약 700 °C까지의 작동 온도에서 이러한 작업에 적합하다고 나타났다. 그러나 운전 경험은 제한적이다. 더 높은 작동 온도가 바람직하며, 850 °C에서 열화학 사이클을 통한 수소 생산이 가능하다. 이 온도 범위에 대한 재료는 아직 검증되지 않았지만, 탄소 복합 재료, 몰리브덴 합금(예: TZM), 탄화물 및 내화 금속 기반 또는 ODS 합금이 가능할 수 있다.
용융염 원자로는 소모형 또는 증식형, 고속 또는 열 중성자, 또는 중간 중성자 원자로일 수 있다. 열 중성자 원자로는 일반적으로 중성자를 감속하고 온도를 조절하기 위해 감속재(보통 흑연)를 사용한다. 다양한 핵연료(저농축 우라늄, 토륨, 열화 우라늄, 폐기물)와 냉각재(플루오라이드, 염화물, 리튬, 베릴륨, 혼합물)를 사용할 수 있다. 핵연료 주기는 폐쇄형 또는 왕복형일 수 있다. 원자로는 일체형 또는 모듈형, 대형 또는 소형으로 설계할 수 있으며, 루프형, 모듈형 또는 일체형 구성을 채택할 수 있다.
플루오린화물 용융염 냉각 고온 원자로(FHR)는 첨단 고온 원자로(AHTR)라고도 불리며,[26] 장기적인 미래를 위해 유망하다고 여겨지는 제4세대 용융염 원자로 변종이다.[22] FHR/AHTR 원자로는 용융 플루오린화물 염을 냉각재로 사용하며, 고체 연료 시스템을 사용한다.
연구 중인 초고온 원자로(VHTR)의 한 가지는 액체염 초고온 원자로(LS-VHTR)였다. 이 원자로는 단일 헬륨 루프 대신 1차 루프에서 액체염을 냉각재로 사용한다. 이 원자로는 흑연에 분산된 "TRISO" 연료에 의존한다. LS-VHTR은 매우 높은 온도에서 작동할 수 있으며 (대부분의 용융염 후보 물질의 비등점은 >1400 °C), 수소 생산 시설 조건에 맞게 사용할 수 있는 저압 냉각 (대부분의 열화학 사이클은 750 °C 이상의 온도를 필요로 함), 유사한 조건에서 작동하는 헬륨 냉각 VHTR보다 더 나은 전기 변환 효율, 수동 안전 시스템 및 사고 발생 시 핵분열 생성물의 더 나은 유지 능력을 갖는다. 초기 AHTR 연구는 육각형 감속 흑연 블록에 삽입될 흑연 봉 형태의 흑연에 초점을 맞췄지만, 현재 연구는 주로 펠 타입 연료에 초점을 맞추고 있다.
5. 국제 개발 현황
21세기 들어 핵융합 발전 및 다른 원자력 발전 프로그램의 지속적인 지연과 온실 가스(GHG) 배출을 최소화하는 에너지원에 대한 수요 증가로 인해 용융염 원자로(MSR)에 대한 관심이 다시 높아졌다.[46][47]
=== 대한민국 ===
더불어민주당은 탄소중립 실현과 미래 에너지원 확보를 위해 용융염 원자로(MSR) 기술 개발의 중요성을 강조하고 있다. 한국은 국제 MSR 개발 협력에 참여하고 있으며, 독자적인 기술 개발 노력을 병행하고 있다.
=== 캐나다 ===
테레스트리얼 에너지(Terrestrial Energy)는 일체형 용융염 원자로(IMSR)라는 DMSR 설계를 개발하고 있는 캐나다 회사이다.[48] IMSR은 소형 모듈 원자로(SMR)로 배치될 수 있도록 설계되었으며, 현재 허가 절차가 진행 중이다. 2017년 캐나다 원자력 안전 위원회(Canadian Nuclear Safety Commission)의 사전 허가 검토 1단계를 완료하여, 설계 특징이 원자로 건설 면허를 획득할 수 있을 정도로 안전하다는 규제 의견을 받았다.[49][50]
몰텍스 에너지 캐나다(Moltex Energy Canada)는 영국 몰텍스 에너지(Moltex Energy Ltd)의 자회사로, 캐나다 뉴브런즈윅 파워(New Brunswick Power)의 지원을 받아 포인트 레포(Point Lepreau)에 파일럿 플랜트 개발을 진행 중이다.[51] 이 플랜트는 안정 염 원자로(stable salt reactor) 설계의 폐기물 연소 버전을 사용할 예정이다.[52][53]
=== 중국 ===
중국은 2011년 1월 토륨 연구 프로젝트를 시작하여 2021년까지 약 30억 위안(5억 달러)을 투자했다.[27]
이후 중국은 우웨이 연구 시설에 2MWt TMSR-LF1 프로토타입 원자로 건설을 가속화했다.[56][57] 2017년 호주 원자력 과학 기술 기구(ANSTO)/상하이 응용 물리학 연구소는 MSR에 사용할 NiMo-SiC 합금의 개발을 발표했다.[58][59]
2021년 9월, 우웨이 프로토타입 가동이 시작되어 토륨 발전을 개시했으며,[60] 이 프로토타입은 약 1,000 가구에 에너지를 공급할 수 있다고 밝혔다.[61] 이는 오크리지 프로젝트 이후 세계 최초의 핵 용융염 원자로이다. 100MW 후속 모델은 높이 3미터, 너비 2.5미터로 10만 가구에 에너지를 공급할 수 있을 것으로 예상되었다.[62][63]
2022년, 상하이 응용 물리학 연구소(SINAP)는 실험적인 토륨 동력 MSR의 가동을 위해 중화인민공화국 생태 환경부로부터 승인을 받았다.[65]
중국 정부는 2030년 완공을 목표로 상업용 원자로 개발을 진행하고 있으며,[64] 중국의 "일대일로" 이니셔티브에 참여하는 국가의 사막과 평원에 최대 30개의 유사한 원자로를 건설할 계획이다.[63] 또한, 2021년에는 냉각 장치가 필요 없는 장점을 활용하여 고비 사막 등에 토륨 용융염로를 건설할 계획을 발표했다.[113]
=== 덴마크 ===
코펜하겐 아토믹스(Copenhagen Atomics)는 대량 생산이 가능한 용융염 원자로를 개발하는 덴마크의 용융염 기술 회사이다. 코펜하겐 아토믹스 폐기물 연소기는 단일 유체, 중수 감속, 불화물 기반, 열 스펙트럼 및 자율 제어 용융염 원자로이며, 누출 방지형 40피트 스테인리스강 운송 컨테이너 내부에 맞도록 설계되었다.[66] 코펜하겐 아토믹스는 용융염 응용 분야를 위한 밸브, 펌프, 열교환기, 측정 시스템, 염 화학 및 정제 시스템, 제어 시스템 및 소프트웨어를 적극적으로 개발하고 테스트하고 있다.[67]
시보그 테크놀로지스(Seaborg Technologies)는 소형 용융염 원자로(CMSR)의 코어를 개발하고 있다. CMSR은 상업적으로 사용 가능한 저농축 우라늄에서 임계 상태에 도달하도록 설계된 고온, 단일 염, 열 MSR이다. CMSR 설계는 모듈형이며, 독점적인 NaOH 감속재를 사용한다.[46][68] 원자로 코어는 12년마다 교체될 것으로 추정된다. 작동 중에는 연료가 교체되지 않으며 원자로 수명 12년 동안 모두 연소될 것이다.[69]
=== 프랑스 ===
국립 과학 연구 센터(CNRS)는 EVOL(액체 연료 고속로 시스템의 평가 및 생존 가능성) 프로젝트를 통해 용융염 고속로(MSFR) 설계를 제안했다.[70] 2014년에 EVOL 프로젝트는 최종 보고서를 발표했다.[71]
EVOL 프로젝트는 유럽의 여러 연구 기관 및 대학이 협력하는 EU 자금 지원의 용융염 고속로 안전성 평가(SAMOFAR) 프로젝트로 이어질 것이다.[73]
=== 독일 ===
독일 베를린의 고체 핵물리학 연구소는 고속 증식 납 냉각 용융염 원자로의 개념으로 듀얼 플루이드 원자로를 제안했다.[103]
=== 인도 ===
2015년, 인도 연구자들은 인도의 3단계 핵연료 개발 프로그램에 따른 토륨 기반 원자로의 대안으로 MSR 설계를 발표했다.[74][75] 인도에서는 희토류 광석 정련에 따라 발생하는 부산물인 토륨을 용융염에 녹여 연료로 사용하는 용융염 원자로 계획이 진행되고 있다. 이 계획은 천연 우라늄에서 플루토늄을 생산하는 단계를 달성했으며, 현재 고속증식로에서 플루토늄을 연소시키면서 토륨을 우라늄-233으로 변환하는 단계에 들어섰다. 점화제는 우라늄 원전의 폐기물이기도 한 플루토늄을 이용한다.
현재 약 1만 가구를 충당할 수 있는 발전량인 1000kW급 소형로 등이 연구되고 있다. 소형 용융염 원자로에는 흑연 감속재를 사용하는 방식을 채택하고 있다.
또한, 불측의 사태가 발생했을 경우, 중력에 의해 연료염을 1차 계통 하부에 설치된 드레인 탱크로 자동 배출시키는 안전 장치가 존재한다. 드레인 탱크 내에서 용융염은 450℃ 이하로 자연 냉각되어 유리질로 응고되어, 방사성 물질의 비산을 방지한다.
토륨은 변환(증식)할 수 있기 때문에 연료 소비량이 적다. 토륨 용융염로는 기체 핵분열 생성물을 운전하면서 제거할 수 있기 때문에, 1차 계통의 용융염 중의 핵분열 생성물이 증가하여 중성자를 흡수할 때까지 연료 교체 없이 최대 30년 연속 운전이 가능하다고 한다.
플루토늄 발생량은 연간 100만 kW의 경수로에서 약 230kg에 대해, 상기 규모의 토륨 용융염로에서는 약 0.5kg이다. 발생하는 플루토늄은 대부분 플루토늄-238이며, 무기에 적합한 플루토늄-239가 충분히 포함되어 있지 않다.[106] 또한 생성되는 우라늄-232에서 생기는 딸핵종 탈륨208이 강렬한 감마선을 방출하기 때문에, 우라늄을 핵무기로 전용하는 것도 어렵다.[107][108]
방사성 요오드, 방사성 세슘 등 핵 폐기물이 나오므로, 사용후 연료 및 고준위 방사성 폐기물 처리가 필요하다.[109][110]
결점으로는 용융염의 침식성이 높고, 압력 용기나 배관의 부식에 의한 취화 대책이 경수에 비해 어렵다는 점이 꼽힌다.
=== 인도네시아 ===
토르콘은 인도네시아 시장을 위해 TMSR-500 용융염 원자로를 개발하고 있다.[76] 국가 연구 혁신 기구는 원자력 연구 기구를 통해 2022년 3월 29일에 MSR 원자로 연구에 대한 관심을 재확인하고 토륨 원자력 발전을 위한 MSR을 연구하고 개발할 계획이라고 발표했다.[77][78]
=== 일본 ===
후지 용융염 원자로는 오크리지 프로젝트와 유사한 기술을 사용하는 100~200 MWe급 LFTR(액체 연료 원자로)이다.[79] [28] 일본, 미국, 러시아의 컨소시엄이 이 프로젝트를 개발하고 있다.
UNOMI 용융염 원자로는 최대 10 MWe의 소형 원자로로, 지연 중성자의 손실, 질량 전달 현상, 금속 표면의 부식을 일으키는 외부 1차 연료 회로를 제거한다.[80][81]
=== 러시아 ===
2020년, 로사톰(Rosatom)은 10 MWth 플리베(FLiBe) 버너 MSR 건설 계획을 발표했다.[103] 이 원자로는 재처리된 VVER 사용후 핵연료의 플루토늄과 마이너 악티나이드의 불화물을 연료로 사용할 예정이다. 이 원자로는 채광 및 화학 콤비나트에서 2031년에 가동될 예정이다.[103]
=== 영국 ===
앨빈 와인버그 재단은 토륨 에너지와 액체 불화 토륨 원자로(LFTR)의 잠재력에 대한 인식을 높이기 위해 2011년에 설립된 영국의 비영리 단체이다.[84][85][86] 이 단체는 2011년 9월 8일 영국 상원에서 공식 출범했으며,[84][85][86] 토륨 액체 연료 원자로 연구를 개척한 미국의 핵물리학자 앨빈 M. 와인버그의 이름을 따서 명명되었다.
몰텍스 에너지(Moltex Energy)의 안정염 원자로 설계는 영국 혁신 기관인 이노베이트 UK가 의뢰한 2015년 연구에서 영국 구현에 가장 적합한 6가지 액체 연료 원자로 설계 중 하나로 선정되었다.[87]
=== 미국 ===
아이다호 국립 연구소는 1000 MWe의 출력을 가진 용융염 냉각, 용융염 연료 원자로를 설계했다.[90]
전 NASA 과학자이자 Teledyne Brown Engineering의 수석 핵 기술자인 커크 소렌슨은 액체 플루오라이드 토륨 원자로(LFTR)라는 용어를 만들고, 2011년 플라이브 에너지(Flibe Energy)를 설립하여 군사 기지에 전력을 공급하기 위한 20–50 MW LFTR 원자로 설계를 개발하는 것을 목표로 하였다.[46][29][91][92][93]
Transatomic Power는 기존 사용후 핵연료를 소비하도록 설계된 폐기물 소멸 용융염 원자로(WAMSR)를 추구했으며, 2011년부터 2018년까지 운영을 중단하고 연구를 공개했다.[95][96]
2016년 1월, 미국 에너지부는 4세대 원자로 설계를 개발하기 위해 8천만 달러의 지원 기금을 발표했다.[97] 서던 컴퍼니는 이 기금을 사용하여 영국 과학자들이 이전에 개발한 MSR의 일종인 용융 염화물 고속 중성자 원자로(MCFR)를 개발할 것이다.[40][46]
2021년, 테네시 계곡 개발청(TVA)과 카이로스 파워(Kairos Power)는 테네시주 오크리지에 건설될 TRISO 연료, 저압 플루오라이드 염 냉각 140 MWe 시험 원자로를 발표했다. 이 프로젝트에 대한 건설 허가는 2023년 미국 원자력 규제 위원회(NCR)에서 발급되었다. 이 설계는 45%의 효율로 작동할 것으로 예상된다. 출구 온도는 650°C이다. 주 증기 압력은 19 MPa이다. 원자로 구조는 316 스테인리스 강이다. 연료는 19.75%로 농축된다. 전력 손실 냉각은 수동적이다.[98] 2024년 2월 DOE와 Kairos Power는 원자로의 설계, 건설 및 시운전을 지원하기 위해 3억 300만 달러의 기술 투자 계약을 체결했다. 회사는 프로젝트 이정표 완료 시 고정 지급금을 받게 된다.[99]
또한 2021년, 서던 컴퍼니는 TerraPower 및 미국 에너지부와 협력하여 아이다호 국립 연구소에 최초의 고속 스펙트럼 염 원자로인 용융 염화물 원자로 실험을 건설할 계획을 발표했다.[100]
애빌린 기독교 대학교(ACU)는 텍사스주 애빌린에 있는 캠퍼스에 건설될 1MWt 용융염 연구 원자로(MSRR)에 대한 건설 허가를 NRC에 신청했으며,[101] 이는 핵 에너지 eXperimental Testing (NEXT) 연구소의 일부이다. ACU는 MSRR이 2025년 12월까지 임계 상태에 도달할 계획이다.[102]
5. 1. 대한민국
더불어민주당은 탄소중립 실현과 미래 에너지원 확보를 위해 용융염 원자로(MSR) 기술 개발의 중요성을 강조하고 있다. 한국은 국제 MSR 개발 협력에 참여하고 있으며, 독자적인 기술 개발 노력을 병행하고 있다.5. 2. 캐나다
테레스트리얼 에너지(Terrestrial Energy)는 일체형 용융염 원자로(IMSR)라는 DMSR 설계를 개발하고 있는 캐나다 회사이다.[48] IMSR은 소형 모듈 원자로(SMR)로 배치될 수 있도록 설계되었으며, 현재 허가 절차가 진행 중이다. 이 설계는 400MWth의 열출력을 가지며, 흑연 감속재와 저농축 우라늄 연료를 사용한다. 2017년 캐나다 원자력 안전 위원회(Canadian Nuclear Safety Commission)의 사전 허가 검토 1단계를 완료하여, 설계 특징이 원자로 건설 면허를 획득할 수 있을 정도로 안전하다는 규제 의견을 받았다.[49][50]몰텍스 에너지 캐나다(Moltex Energy Canada)는 영국 몰텍스 에너지(Moltex Energy Ltd)의 자회사로, 캐나다 뉴브런즈윅 파워(New Brunswick Power)의 지원을 받아 포인트 레포(Point Lepreau)에 파일럿 플랜트 개발을 진행 중이다.[51] 이 플랜트는 안정 염 원자로(stable salt reactor) 설계의 폐기물 연소 버전을 사용할 예정이다.[52][53]
5. 3. 중국
중국은 2011년 1월 토륨 연구 프로젝트를 시작하여 2021년까지 약 30억 위안(5억 달러)을 투자했다.[27] 구상형 기술을 기반으로 한 고체 연료 버전(TMSR-SF)의 100MW 데모 장치는 2024년까지, 액체 연료(TMSR-LF) 변형의 10MW 파일럿 및 더 큰 데모 장치는 각각 2024년과 2035년을 목표로 개발이 진행되었다.[54][55]이후 중국은 우웨이 연구 시설에 2MWt TMSR-LF1 프로토타입 원자로 건설을 가속화했다.[56][57] 이 프로젝트는 새로운 내식성 재료를 시험하는 것을 목표로 했으며,[56] 2017년 호주 원자력 과학 기술 기구(ANSTO)/상하이 응용 물리학 연구소는 MSR에 사용할 NiMo-SiC 합금의 개발을 발표했다.[58][59]
2021년 9월, 우웨이 프로토타입 가동이 시작되어 토륨 발전을 개시했으며,[60] 이 프로토타입은 약 1,000 가구에 에너지를 공급할 수 있다고 밝혔다.[61] 이는 오크리지 프로젝트 이후 세계 최초의 핵 용융염 원자로이다. 100MW 후속 모델은 높이 3미터, 너비 2.5미터로 10만 가구에 에너지를 공급할 수 있을 것으로 예상되었다.[62][63]
2022년, 상하이 응용 물리학 연구소(SINAP)는 실험적인 토륨 동력 MSR의 가동을 위해 중화인민공화국 생태 환경부로부터 승인을 받았다.[65]
중국 정부는 2030년 완공을 목표로 상업용 원자로 개발을 진행하고 있으며,[64] 중국의 "일대일로" 이니셔티브에 참여하는 국가의 사막과 평원에 최대 30개의 유사한 원자로를 건설할 계획이다.[63] 또한, 2021년에는 냉각 장치가 필요 없는 장점을 활용하여 고비 사막 등에 토륨 용융염로를 건설할 계획을 발표했다.[113]
5. 4. 덴마크
코펜하겐 아토믹스(Copenhagen Atomics)는 대량 생산이 가능한 용융염 원자로를 개발하는 덴마크의 용융염 기술 회사이다. 코펜하겐 아토믹스 폐기물 연소기는 단일 유체, 중수 감속, 불화물 기반, 열 스펙트럼 및 자율 제어 용융염 원자로이며, 누출 방지형 40피트 스테인리스강 운송 컨테이너 내부에 맞도록 설계되었다.[66] 중수 감속재는 염으로부터 열적으로 절연되어 있으며 50°C 이하로 지속적으로 배수되고 냉각된다. 용융 리튬-7 중수산화물(LiOD/LiOD영어) 감속재 버전도 연구 중이다. 이 원자로는 사용후 핵연료에서 분리된 플루토늄을 최초 세대 원자로의 초기 핵분열성 물질로 사용하고, 궁극적으로 토륨 증식로로 전환하는 토륨 연료 주기를 사용한다.[66] 코펜하겐 아토믹스는 용융염 응용 분야를 위한 밸브, 펌프, 열교환기, 측정 시스템, 염 화학 및 정제 시스템, 제어 시스템 및 소프트웨어를 적극적으로 개발하고 테스트하고 있다.[67]시보그 테크놀로지스(Seaborg Technologies)는 소형 용융염 원자로(CMSR)의 코어를 개발하고 있다. CMSR은 상업적으로 사용 가능한 저농축 우라늄에서 임계 상태에 도달하도록 설계된 고온, 단일 염, 열 MSR이다. CMSR 설계는 모듈형이며, 독점적인 NaOH 감속재를 사용한다.[46][68] 원자로 코어는 12년마다 교체될 것으로 추정된다. 작동 중에는 연료가 교체되지 않으며 원자로 수명 12년 동안 모두 연소될 것이다.[69] 시보그 코어의 첫 번째 버전은 250 MWth의 열 출력과 100 MWe의 전기 출력을 생산할 계획이다. CMSR은 발전소로서 약 20만 가구에 전기, 청정 물 및 난방/냉방을 공급할 수 있을 것이다.[69]
5. 5. 프랑스
국립 과학 연구 센터(CNRS)는 EVOL(액체 연료 고속로 시스템의 평가 및 생존 가능성) 프로젝트를 통해 용융염 고속로(MSFR) 설계를 제안했다.[70] 2014년에 EVOL 프로젝트는 최종 보고서를 발표했다.[71] FHR, MOSART, MSFR, TMSR과 같은 다양한 MSR 프로젝트는 공통적인 연구 개발 주제를 가지고 있다.[72]EVOL 프로젝트는 유럽의 여러 연구 기관 및 대학이 협력하는 EU 자금 지원의 용융염 고속로 안전성 평가(SAMOFAR) 프로젝트로 이어질 것이다.[73]
5. 6. 독일
독일 베를린의 고체 핵물리학 연구소는 고속 증식 납 냉각 용융염 원자로의 개념으로 듀얼 플루이드 원자로를 제안했다.[103] 기존 용융염 원자로 개념은 액체 염을 사용하여 핵분열 물질을 제공하고 열을 제거했지만, 필요한 유속에 문제가 있었다. 2개의 다른 유체를 별도의 회로에서 사용하는 것은 이러한 문제를 해결할 수 있을것으로 기대된다.[103]5. 7. 인도
2015년, 인도 연구자들은 인도의 3단계 핵연료 개발 프로그램에 따른 토륨 기반 원자로의 대안으로 MSR 설계를 발표했다.[74][75] 인도에서는 희토류 광석 정련에 따라 발생하는 부산물인 토륨을 용융염에 녹여 연료로 사용하는 용융염 원자로 계획이 진행되고 있다. 이 계획은 천연 우라늄에서 플루토늄을 생산하는 단계를 달성했으며, 현재 고속증식로에서 플루토늄을 연소시키면서 토륨을 우라늄-233으로 변환하는 단계에 들어섰다. 점화제는 우라늄 원전의 폐기물이기도 한 플루토늄을 이용한다.현재 약 1만 가구를 충당할 수 있는 발전량인 1000kW급 소형로 등이 연구되고 있다. 소형 용융염 원자로에는 흑연 감속재를 사용하는 방식을 채택하고 있다. 1000kW급 소형 토륨 원전의 경우, 연료의 붕괴열이 적고, 연료인 700℃로 녹은 용융염의 액체 토륨 자체가 자연 순환하여 공랭이 가능하기 때문에, 냉각 기능 상실 시에도 수동적 안전을 유지한다.
또한, 불측의 사태가 발생했을 경우, 중력에 의해 연료염을 1차 계통 하부에 설치된 드레인 탱크로 자동 배출시키는 안전 장치가 존재한다. 드레인 탱크 내에서 용융염은 450℃ 이하로 자연 냉각되어 유리질로 응고되어, 방사성 물질의 비산을 방지한다.
토륨은 변환(증식)할 수 있기 때문에 연료 소비량이 적다. 토륨 용융염로는 기체 핵분열 생성물을 운전하면서 제거할 수 있기 때문에, 1차 계통의 용융염 중의 핵분열 생성물이 증가하여 중성자를 흡수할 때까지 연료 교체 없이 최대 30년 연속 운전이 가능하다고 한다.
플루토늄 발생량은 연간 100만 kW의 경수로에서 약 230kg에 대해, 상기 규모의 토륨 용융염로에서는 약 0.5kg이다. 발생하는 플루토늄은 대부분 플루토늄-238이며, 무기에 적합한 플루토늄-239가 충분히 포함되어 있지 않다.[106] 또한 생성되는 우라늄-232에서 생기는 딸핵종 탈륨208이 강렬한 감마선을 방출하기 때문에, 우라늄을 핵무기로 전용하는 것도 어렵다.[107][108]
방사성 요오드, 방사성 세슘 등 핵 폐기물이 나오므로, 사용후 연료 및 고준위 방사성 폐기물 처리가 필요하다.[109][110]
결점으로는 용융염의 침식성이 높고, 압력 용기나 배관의 부식에 의한 취화 대책이 경수에 비해 어렵다는 점이 꼽힌다.
5. 8. 인도네시아
토르콘은 인도네시아 시장을 위해 TMSR-500 용융염 원자로를 개발하고 있다.[76] 국가 연구 혁신 기구는 원자력 연구 기구를 통해 2022년 3월 29일에 MSR 원자로 연구에 대한 관심을 재확인하고 토륨 원자력 발전을 위한 MSR을 연구하고 개발할 계획이라고 발표했다.[77][78]5. 9. 일본
후지 용융염 원자로는 오크리지 프로젝트와 유사한 기술을 사용하는 100~200 MWe급 LFTR(액체 연료 원자로)이다.[79] [28] 일본, 미국, 러시아의 컨소시엄이 이 프로젝트를 개발하고 있다. 이 프로젝트는 정식 크기의 원자로를 개발하는 데 20년이 걸릴 수 있지만, 자금 부족에 직면한 것으로 보인다.[79] [28]UNOMI 용융염 원자로는 최대 10 MWe의 소형 원자로로, 지연 중성자의 손실, 질량 전달 현상, 금속 표면의 부식을 일으키는 외부 1차 연료 회로를 제거한다.[80][81]
5. 10. 러시아
2020년, 로사톰(Rosatom)은 10 MWth 플리베(FLiBe) 버너 MSR 건설 계획을 발표했다.[103] 이 원자로는 재처리된 VVER 사용후 핵연료의 플루토늄과 마이너 악티나이드의 불화물을 연료로 사용할 예정이다. 이 원자로는 채광 및 화학 콤비나트에서 2031년에 가동될 예정이다.[103]5. 11. 영국
앨빈 와인버그 재단은 토륨 에너지와 액체 불화 토륨 원자로(LFTR)의 잠재력에 대한 인식을 높이기 위해 2011년에 설립된 영국의 비영리 단체이다.[84][85][86] 이 단체는 2011년 9월 8일 영국 상원에서 공식 출범했으며,[84][85][86] 토륨 액체 연료 원자로 연구를 개척한 미국의 핵물리학자 앨빈 M. 와인버그의 이름을 따서 명명되었다.몰텍스 에너지(Moltex Energy)의 안정염 원자로 설계는 영국 혁신 기관인 이노베이트 UK가 의뢰한 2015년 연구에서 영국 구현에 가장 적합한 6가지 액체 연료 원자로 설계 중 하나로 선정되었다.[87] 영국 정부의 지원은 미미했지만,[88] 이 회사의 영국 지사인 몰텍스플렉스(MoltexFLEX)는 2022년 10월 FLEX 소형 모듈 설계를 출시했다.[89]
5. 12. 미국
아이다호 국립 연구소는 1000 MWe의 출력을 가진 용융염 냉각, 용융염 연료 원자로를 설계했다.[90]전 NASA 과학자이자 Teledyne Brown Engineering의 수석 핵 기술자인 커크 소렌슨은 액체 플루오라이드 토륨 원자로(LFTR)라는 용어를 만들고, 2011년 플라이브 에너지(Flibe Energy)를 설립하여 군사 기지에 전력을 공급하기 위한 20–50 MW LFTR 원자로 설계를 개발하는 것을 목표로 하였다.[46][29][91][92][93]
Transatomic Power는 기존 사용후 핵연료를 소비하도록 설계된 폐기물 소멸 용융염 원자로(WAMSR)를 추구했으며, 2011년부터 2018년까지 운영을 중단하고 연구를 공개했다.[95][96]
2016년 1월, 미국 에너지부는 4세대 원자로 설계를 개발하기 위해 8천만 달러의 지원 기금을 발표했다.[97] 서던 컴퍼니는 이 기금을 사용하여 영국 과학자들이 이전에 개발한 MSR의 일종인 용융 염화물 고속 중성자 원자로(MCFR)를 개발할 것이다.[40][46]
2021년, 테네시 계곡 개발청(TVA)과 카이로스 파워(Kairos Power)는 테네시주 오크리지에 건설될 TRISO 연료, 저압 플루오라이드 염 냉각 140 MWe 시험 원자로를 발표했다. 이 프로젝트에 대한 건설 허가는 2023년 미국 원자력 규제 위원회(NCR)에서 발급되었다. 이 설계는 45%의 효율로 작동할 것으로 예상된다. 출구 온도는 650°C이다. 주 증기 압력은 19 MPa이다. 원자로 구조는 316 스테인리스 강이다. 연료는 19.75%로 농축된다. 전력 손실 냉각은 수동적이다.[98] 2024년 2월 DOE와 Kairos Power는 원자로의 설계, 건설 및 시운전을 지원하기 위해 3억 300만 달러의 기술 투자 계약을 체결했다. 회사는 프로젝트 이정표 완료 시 고정 지급금을 받게 된다.[99]
또한 2021년, 서던 컴퍼니는 TerraPower 및 미국 에너지부와 협력하여 아이다호 국립 연구소에 최초의 고속 스펙트럼 염 원자로인 용융 염화물 원자로 실험을 건설할 계획을 발표했다.[100]
애빌린 기독교 대학교(ACU)는 텍사스주 애빌린에 있는 캠퍼스에 건설될 1MWt 용융염 연구 원자로(MSRR)에 대한 건설 허가를 NRC에 신청했으며,[101] 이는 핵 에너지 eXperimental Testing (NEXT) 연구소의 일부이다. ACU는 MSRR이 2025년 12월까지 임계 상태에 도달할 계획이다.[102]
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