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증식로

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목차

1. 개요

증식로는 핵분열성 물질을 소모하는 동시에 더 많은 핵분열성 물질을 생산하도록 설계된 원자로이다. 고속 중성자를 사용하는 고속 증식로와 열 중성자를 사용하는 열 증식로로 나뉘며, 다양한 냉각재와 연료를 사용할 수 있다. 증식로는 우라늄이나 토륨의 에너지를 거의 모두 추출하여 연료 효율을 높이고, 핵폐기물을 줄이는 장점이 있다. 주요 증식로로는 DFR, BN-350, BN-600, 몬주 등이 있으며, 인도, 중국, 러시아, 대한민국, 일본, 프랑스, 미국 등 여러 국가에서 개발 및 연구가 진행 중이다.

2. 종류

증식로는 사용되는 중성자의 속도에 따라 크게 두 가지 종류로 나뉜다.


  • '''고속 증식로'''(FBR): 고속 중성자로를 사용하여 우라늄-238에서 핵분열성 플루토늄을 증식한다. 경우에 따라 토륨에서 핵분열성 우라늄-233을 증식할 수도 있다.
  • '''열 증식로''': 감속된 중성자를 사용하여 토륨에서 핵분열성 우라늄-233을 증식한다. 토륨 연료를 사용하는 경우에만 실현 가능한 것으로 여겨진다.


현재의 열중성자 원자로에서 중성자 포획과 붕괴를 통해 생산되는 무거운 초우라늄 악티늄족 원소. 고속 중성자 증식로에서는 이러한 모든 동위원소를 연료로 사용할 수 있다.


증식로는 높은 중성자 경제성과 1.0보다 높은 변환율을 갖도록 설계된 원자로이다. 원칙적으로 거의 모든 원자로 설계를 증식로로 만들 수 있다. 예를 들어, 경수로를 고속로[3] 개념으로 발전시켜 증식을 허용할 수 있다.

수냉식 외에도 용융염 냉각, 가스 냉각, 액체금속 냉각 등 다양한 설계 방식이 가능하다. 이러한 설계는 우라늄, 플루토늄, 악티늄족 원소, 토륨 등을 연료로 사용할 수 있으며, 핵분열성 연료 생성, 장기간의 정상 작동, 핵폐기물 연소 등 다양한 목적을 위해 설계될 수 있다.

2. 1. 고속 증식로 (Fast Breeder Reactor, FBR)

고속 증식로(Fast Breeder Reactor, FBR)는 고속 중성자로를 이용해 핵분열을 일으키는 증식로이다. 열중성자로를 사용하는 열증식로와 구분된다.

고속 증식로는 우라늄-238에서 핵분열성 플루토늄(더 높은 초우라늄 원소 포함)을 증식하며, 토륨에서 핵분열성 우라늄-233을 증식할 수도 있다. '고속'(감속되지 않은) 중성자를 사용한다.

증식로는 높은 중성자 경제성과 1.0보다 높은 변환율을 갖도록 설계된 원자로이다. 원칙적으로 거의 모든 원자로 설계를 증식로로 만들 수 있다. 예를 들어, 경수로는 고속로[3] 개념으로 발전하여 증식을 허용할 수 있다.

수냉식 외에도 용융염 냉각, 가스 냉각, 액체금속 냉각 등 다양한 설계가 가능하다. 이러한 설계는 우라늄, 플루토늄, 악티늄족 원소, 토륨 등을 연료로 사용할 수 있으며, 핵연료 생성, 장기간 작동, 핵폐기물 연소 등 다양한 목표를 위해 설계될 수 있다.

최초로 건설 및 운영된 고속로는 뉴멕시코주 로스앨러모스에 위치한 로스앨러모스 플루토늄 고속로("클레멘타인"(Clementine))였다.[12] 클레멘타인은 Ga로 안정화된 델타상 Pu를 연료로 사용하고 수은으로 냉각되었다.

여러 FBR 시제품이 건설되었으며, 전기 출력은 몇 개의 전구에 해당하는 수준(EBR-I, 1951년)부터 1,000 MWe가 넘는 수준까지 다양하다. 2006년 현재 이 기술은 열중성자로 기술에 비해 경제적 경쟁력이 없지만, 인도, 일본, 중국, 대한민국, 러시아는 고속 증식로 개발에 상당한 연구 자금을 투입하고 있다. 반면 독일은 안전 문제로 이 기술을 포기했다. SNR-300 고속 증식로는 총 36억유로의 비용 초과에도 불구하고 19년 만에 완공되었지만, 이후 폐기되었다.[13]

4세대 원자로 유형 중 가스냉각 고속로, 나트륨냉각 고속로, 납냉각 고속로는 FBR에 해당한다.[4]

2. 1. 1. 액체금속냉각 고속 증식로 (Liquid Metal Fast Breeder Reactor, LMFBR)

루프형과 풀형 LMFBR의 차이를 보여주는 개략도


현재 존재하는 모든 대규모 액체금속 고속 증식로(LMFBR)는 액체 나트륨으로 냉각된다. 이들은 다음 두 가지 설계 중 하나에 속한다.

  • '''루프형''': 1차 냉각재가 원자로 용기 외부에 있는 1차 열교환기를 순환한다. (하지만 1차 냉각재 내 방사성 때문에 생물학적 차폐 내부에 있다.)

적분형 고속로의 원형이었던 실험용 증식로 II

  • '''풀형''': 1차 열교환기와 펌프가 원자로 용기에 잠겨 있다.


2017년 기준으로 상업적으로 운영되는 증식로는 BN-600 원자로(560 MWe)와 BN-800 원자로(880 MWe) 두 기뿐이다. 모두 러시아의 나트륨 냉각로이다. 이 설계는 액체 금속을 1차 냉각재로 사용하여, 원자로 심장에서 발전 터빈을 구동하는 데 사용되는 증기에 열을 전달한다.

초기 FBR 중 일부는 수은을 사용했고, 다른 실험용 원자로는 나트륨-칼륨 합금을 사용했다. 둘 다 상온에서 액체라는 장점이 있는데, 이는 실험 장치에는 편리하지만 시험 또는 대규모 발전소에는 덜 중요하다.

4세대 원자로 유형 중 나트륨냉각 고속로는 기존 LMFBR과 적분형 고속로 설계를 기반으로 한다.[4]

FBR은 일반적으로 최대 20%의 플루토늄 이산화물(PuO2)과 최소 80%의 우라늄 이산화물(UO2)로 구성된 혼합 산화물 연료 심장을 사용한다. 또 다른 연료 옵션은 금속 합금이며, 일반적으로 우라늄, 플루토늄 및 지르코늄(중성자에 대해 "투명"하기 때문에 사용됨)의 혼합물이다. 농축 우라늄을 단독으로 사용할 수도 있다.

많은 설계에서 원자로 심장을 비분열성 우라늄-238이 들어 있는 관의 담요로 둘러싸는데, 이는 심장의 반응에서 나오는 고속 중성자를 포획하여 분열성 플루토늄-239로 전환되며(심장의 우라늄 중 일부도 마찬가지), 그 후 재처리되어 핵연료로 사용된다. 다른 FBR 설계는 (우라늄-238도 포함하는) 연료의 기하학적 구조에 의존하여 충분한 고속 중성자 포획을 달성한다.[39]

일반적인 액체 물은 감속재이자 중성자 흡수체이기 때문에 고속로의 바람직하지 않은 1차 냉각재이다. 원자로를 냉각하기 위해 심장에 많은 양의 물이 필요하기 때문에 중성자의 수율과 따라서 239Pu의 증식에 큰 영향을 미친다.[3]

냉각재의 종류, 온도 및 고속 중성자 스펙트럼은 연료 피복재(일반적으로 오스테나이트계 스테인리스 또는 페라이트-마르텐사이트계 강)에 극한 조건을 부과한다. 나트륨 냉각 고속로에서 현재까지 사용된 모든 재료에는 알려진 한계가 있다.[5] 산화물 분산 강화 합금 강은 오늘날의 재료 선택의 단점을 극복할 수 있는 장기적인 내방사선성 연료 피복재로 간주된다.

2. 1. 2. 기타 고속로

현존하는 모든 대규모 고속 증식로(FBR) 발전소는 액체 나트륨으로 냉각되는 액체금속 고속 증식로(LMFBR)였다. 이들은 다음 두 가지 설계 중 하나에 속한다.[13]

  • '''루프형''': 1차 냉각재가 원자로 용기 외부(하지만 1차 냉각재 내 방사성 )에 있는 생물학적 차폐 내부)의 1차 열교환기를 순환한다.
  • '''풀형''': 1차 열교환기와 펌프가 원자로 용기에 잠겨 있다.


2017년 기준으로 상업적으로 운영되는 증식로는 BN-600 원자로(560 MWe)와 BN-800 원자로(880 MWe) 두 기뿐이다. 모두 러시아의 나트륨 냉각로이다.

나트륨 이외의 다른 액체 금속으로 냉각되는 FBR도 건설되었다. 초기 FBR 중 일부는 수은을 사용했고, 다른 실험용 원자로는 나트륨-칼륨 합금을 사용했다.

제안된 4세대 원자로 유형 중 세 가지는 FBR이다.[4]

  • 가스냉각 고속로: 헬륨으로 냉각된다.
  • 기존 LMFBR과 적분형 고속로 설계를 기반으로 하는 나트륨냉각 고속로.
  • 소련 해군 추진 장치를 기반으로 하는 납냉각 고속로.


또 다른 제안된 고속로는 고속 용융염원자로로, 용융염의 감속 특성은 미미하다.

여러 FBR(고속 증식로) 시제품이 건설되었는데, 전기 출력은 몇 개의 전구에 해당하는 수준(EBR-I, 1951년)부터 1,000 MWe가 넘는 수준까지 다양하다. 2006년 현재 이 기술은 열중성자로 기술에 비해 경제적 경쟁력이 없지만, 인도, 일본, 중국, 대한민국, 러시아는 모두 고속 증식로 개발에 상당한 연구 자금을 투입하고 있다. 반면 독일은 안전 문제로 이 기술을 포기했다. SNR-300 고속 증식로는 총 36억유로의 비용 초과에도 불구하고 19년 만에 완공되었지만, 이후 폐기되었다.[13]

2. 1. 3. 적분형 고속로 (Integral Fast Reactor, IFR)

폐기물 처리 및 플루토늄 문제 해결을 위해 특별히 고안된 고속 중성자로 설계 중 하나가 적분형 고속로(IFR, 적분형 고속 증식로로도 알려져 있지만, 원래 설계는 순 증식된 핵분열성 물질을 생산하지 않도록 되어 있었다)이다.[6][7]

IFR은 현장 전해채취 연료 재처리 장치를 갖추고 있어 전기도금을 통해 우라늄과 모든 트랜스우라늄 원소(플루토늄뿐만 아니라)를 재활용하고, 폐기물에는 짧은 반감기의 핵분열 생성물만 남게 한다. 이러한 핵분열 생성물 중 일부는 나중에 산업용 또는 의료용으로 분리할 수 있으며, 나머지는 폐기물 저장소로 보낸다. IFR의 열처리 시스템은 용융 카드뮴 음극과 전해 정련기를 사용하여 원자로 현장에서 금속 연료를 직접 재처리한다.[8] 이러한 시스템은 모든 미량 악티늄 원소를 우라늄과 플루토늄과 함께 혼합하며, 소형이고 독립적으로 작동하므로 플루토늄 함유 물질을 증식로 현장에서 외부로 운반할 필요가 없다.

이러한 기술을 통합한 증식로는 대부분 1.00에 매우 가까운 증식률로 설계될 가능성이 높으므로, 농축 우라늄 및/또는 플루토늄 연료의 초기 장전 후에는 소량의 천연 우라늄만으로 재장전하면 된다. 1기가와트 원자로의 경우 한 달에 한 번 우유 상자 크기의 천연 우라늄 블록에 해당하는 양만 있으면 충분하다.[9] 이러한 자체 포함형 증식로는 현재 원자로 설계자들의 최종적인 자체 포함형 및 자체 지속적인 궁극적인 목표로 여겨진다.[19][39] 이 프로젝트는 1994년 미국 에너지부 헤이즐 오리어리 장관에 의해 취소되었다.[10][11]

2. 2. 열 증식로 (Thermal Breeder Reactor)

고속 중성자로를 사용하는 증식로를 고속 증식로라고 부르고, 열중성자로를 사용하는 증식로를 열 증식로라고 부른다.

증식로는 매우 높은 중성자 경제성과 1.0보다 높은 변환율을 갖도록 설계된 원자로이다. 원칙적으로 거의 모든 원자로 설계를 수정하여 증식로로 만들 수 있다. 열 증식로는 '열 스펙트럼' 또는 '느린'(즉, 감속된) 중성자를 사용하여 토륨에서 핵분열성 우라늄-233을 증식한다. 다양한 핵연료의 거동으로 인해 열 증식로는 상업적으로 토륨 연료를 사용하는 경우에만 실현 가능한 것으로 간주되는데, 이는 더 무거운 초우라늄 원소의 축적을 피하기 때문이다.

수냉식 외에도 용융염 냉각, 가스 냉각, 액체금속 냉각 설계 등 다양한 형태의 증식로가 가능하다. 이러한 설계 방식은 우라늄, 플루토늄, 악티늄족 원소, 토륨 등을 연료로 사용할 수 있으며, 핵분열성 연료 생성, 장기간의 정상 작동, 핵폐기물 연소 등 다양한 목적을 위해 설계될 수 있다.

2. 2. 1. 경수 증식로

1977년 8월부터 5년간 시험 가동된 시핑포트 원자로. 경수형 핵 증식로의 시제품으로 사용됨


고급 중수로는 토륨을 대규모로 활용하는 몇 안 되는 제안 중 하나이다.[14] 인도는 상당한 토륨 매장량을 바탕으로 이 기술을 개발하고 있다. 세계 토륨 매장량의 거의 3분의 1이 인도에 있으며, 인도는 우라늄 매장량이 부족하다.

시핑포트 원자력 발전소의 60 MWe 원자로는 1977년에 가동을 시작한 경수형 토륨 증식로였다.[15] 이 원자로는 이산화토륨과 우라늄-233 산화물로 만들어진 펠릿을 사용했다. 초기에는 종자 영역의 U-233 함량이 5~6%, 담요 영역은 1.5~3%, 반사체 영역은 0%였다. 236 MWt로 운전되어 60 MWe를 생산했고, 궁극적으로 21억 킬로와트시 이상의 전력을 생산했다. 5년 후, 원자로의 심장부를 제거하여 조사한 결과, 설치 당시보다 1.4% 가까이 더 많은 핵분열성 물질이 포함되어 있는 것으로 나타나 토륨으로부터의 증식이 일어났음을 입증했다.[16][17]

액체 플루오르화 토륨 원자로도 토륨 열 증식로로 계획되고 있다. 액체 플루오르화물 원자로는 고유 안전성, 연료봉 제조 불필요, 액체 연료의 재처리 단순화 등 매력적인 특징을 가질 수 있다. 이 개념은 1960년대 오크리지 국립 연구소 용융염 원자로 실험에서 처음 조사되었다. 2012년부터 전 세계적으로 다시 주목받기 시작했다.[18]

2. 2. 2. 액체 플루오르화 토륨 원자로 (Liquid Fluoride Thorium Reactor, LFTR)

오크리지 국립 연구소의 용융염 원자로 실험에서 1960년대에 처음 조사된 액체 플루오르화 토륨 원자로(LFTR)는 토륨 열 증식로로 계획되고 있다. 액체 플루오르화물 원자로는 고유 안전성, 연료봉 제조 불필요, 액체 연료의 재처리 단순화 등 매력적인 특징을 가질 수 있다. 이 개념은 2012년부터 전 세계적으로 다시 주목받기 시작했다.[18]

3. 핵연료 및 핵폐기물

증식로는 사용하고 남은 핵연료를 재처리하여 다시 연료로 사용할 수 있도록 설계된 원자로이다. 핵연료는 원자로 내에서 핵분열을 일으켜 에너지를 생산하고, 이 과정에서 다양한 물질들이 생성된다.

사용후 핵연료는 크게 세 가지 주요 구성 요소로 나뉜다.


  • 핵분열 생성물: 핵분열 후 남은 연료 원자의 조각으로, 우라늄보다 가벼운 수십 가지 원소와 수백 가지 동위원소로 구성된다. 핵분열 생성물은 핵분열을 일으키지 않아 핵연료로 사용할 수 없으며, 중성자를 흡수하는 '중성자 독'으로 작용하여 핵반응을 방해하기도 한다.
  • 트랜스우라늄 원소: 우라늄보다 무거운 원자로, 연료 내 우라늄이나 더 무거운 원자가 중성자를 흡수했지만 핵분열을 일으키지 않을 때 생성된다. 악티늄족 원소라고도 불리며, 플루토늄, 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨 등이 이에 속한다.
  • 나머지 우라늄: 사용후 핵연료에 남은 우라늄으로, 대부분 우라늄-238(약 98.25%)이며, 우라늄-235(1.1%), 우라늄-236(0.65%)도 포함되어 있다.


핵분열 생성물과 트랜스우라늄 동위원소는 붕괴 반감기에 큰 차이가 있다. 특히, 트랜스우라늄 원소는 1,000년에서 10만년 후 사용후 연료 방사능의 대부분을 차지한다. 따라서 폐기물에서 트랜스우라늄 원소를 제거하면 장기적인 방사능을 크게 줄일 수 있다.[30]

증식로는 악티늄족 원소 폐기물을 연료로 사용하여 핵분열시키고, 더 많은 핵분열 생성물로 전환하도록 설계된다.

3. 0. 1. 증식 연료 사이클



증식로는 이론적으로 우라늄이나 토륨에 포함된 에너지를 거의 모두 추출할 수 있다. 이는 지구에서 채굴한 악티늄족 금속(우라늄 또는 토륨)의 에너지의 1% 미만만 추출하는 널리 사용되는 직접순환 경수로에 비해 연료 요구량을 100분의 1로 줄일 수 있다.[19] 높은 연료 효율은 연료 공급, 광산 채굴에 사용되는 에너지, 방사성 폐기물 저장에 대한 우려를 크게 줄일 수 있다.

해수 우라늄 추출(현재는 경제적으로 비용이 너무 많이 듬)을 이용하면 1983년 총 에너지 소비량으로 50억 년 동안 세계의 에너지 수요를 충족할 수 있을 만큼 증식로에 충분한 연료가 있다. 따라서 핵에너지는 사실상 재생에너지가 된다.[20][21] 해수 외에도 평균 지각 화강암에는 상당량의 우라늄과 토륨이 포함되어 있으며, 증식로를 사용하면 항성 진화의 주계열에서 태양의 남은 수명 동안 풍부한 에너지를 공급할 수 있다.[22]

넓게 보면, 사용후 핵연료는 핵분열 생성물, 트랜스우라늄 원소, 나머지 우라늄의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 핵폐기물에 대한 우려가 커짐에 따라 악티늄족 폐기물, 특히 플루토늄과 미량 악티늄족 원소를 줄일 수 있는 증식 연료 사이클에 대한 관심이 새롭게 높아졌다.[29] 증식로는 악티늄족 폐기물을 연료로 핵분열하도록 설계되어 더 많은 핵분열 생성물로 전환한다.

오늘날의 상용 경수로는 주로 플루토늄 형태로 일부 새로운 핵분열성 물질을 생성한다. 상용 원자로는 증식로로 설계되지 않았기 때문에 소모된 우라늄-235를 대체할 만큼 충분한 우라늄-238을 플루토늄으로 전환하지 않는다. 그럼에도 불구하고 상용 원자로에서 생산되는 전력의 3분의 1 이상은 연료 내에서 생성된 플루토늄의 핵분열에서 나온다.[31]

악티늄족 폐기물, 특히 플루토늄의 다양한 동위원소와 미량 악티늄족 원소(넵투늄, 아메리슘, 퀴륨 등)를 줄일 수 있는 잠재력 때문에 증식 연료 사이클에 대한 관심이 새롭게 높아졌다.[29] 폐쇄 연료 사이클의 증식로는 연료로 공급되는 이러한 악티늄족 원소의 동위원소를 거의 모두 사용하므로 연료 요구량이 약 100배 감소한다. 생성되는 폐기물의 양도 약 100배 감소한다.

원칙적으로 증식 연료 사이클은 모든 악티늄족 원소를 재활용하고 소비할 수 있다.[20] 그 결과 핵분열 생성물만 남는다. 핵분열 생성물은 집계 반감기에 독특한 "간격"이 있어 91년에서 20만년 사이의 반감기를 가진 핵분열 생성물은 없다.

악티늄족 원소[23] (붕괴 사슬별)반감기
범위 (년)		235U의 핵분열 생성물[24]
토륨 계열
(4n)		넵투늄 계열
(4n + 1)		우라늄 계열
(4n + 2)		악티늄 계열
(4n + 3)		4.5–7%0.04–1.25%<0.001%
4–6 년
[25]> 9 년
10–29 년
29–97 년
141–351 년핵분열 생성물 중 반감기가
100년~21만년 범위에 있는 것은 없음...
[26]430–900 년
1.3–1.6 천년
4.7–7.4 천년
8.3–8.5 천년
24.1 천년
32–76 천년
150–250 천년
327–375 천년
1.33 백만년
1.61–6.5 백만년
15–24 백만년
80 백만년...또는 15.7 백만년 초과[27]
0.7–14.1 십억년



핵분열 생성물의 물리적 거동은 악티늄족 원소의 거동과 현저하게 다르다. 특히, 핵분열 생성물은 핵분열을 일으키지 않으므로 핵연료로 사용할 수 없다.

토륨 연료 사이클은 본질적으로 더 낮은 수준의 중원소 악티늄족 원소를 생성한다. 토륨 연료 사이클의 비분열성 물질의 원자량은 232인 반면 우라늄 연료 사이클의 비분열성 물질의 원자량은 238이다. 이 질량 차이는 토륨-232가 트랜스우라늄 원소가 생성되기 전에 핵당 6개의 중성자 포획 사건이 더 필요함을 의미한다.

3. 0. 2. 소각로

증식 연료 사이클은 악티늄족 폐기물, 특히 플루토늄과 미량 악티늄족 원소(넵투늄, 아메리슘, 퀴륨 등)를 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.[29] 폐쇄 연료 사이클의 증식로는 연료로 공급되는 이러한 악티늄족 원소의 동위원소를 거의 모두 사용하므로 연료 요구량이 약 100배 감소하며, 생성되는 폐기물의 양도 약 100배 감소한다. 증식로에서 폐기물의 ''양''은 크게 감소하지만, 폐기물의 ''방사능''은 경수로에서 생성되는 폐기물과 거의 같다.[33]

증식로의 폐기물은 구성 물질이 다르기 때문에 붕괴 거동 역시 다르다. 증식로 폐기물은 대부분 핵분열 생성물인 반면, 경수로 폐기물은 대부분 사용되지 않은 우라늄 동위원소와 다량의 트랜스우라늄 원소로 구성된다. 사용후 핵연료가 경수로에서 10만년 이상 제거된 후에는 트랜스우라늄 원소가 방사능의 주요 원인이 된다. 따라서 이를 제거하면 사용후 연료의 장기 방사능이 크게 감소한다.[30]

원칙적으로 증식 연료 사이클은 모든 악티늄족 원소를 재활용하고 소비할 수 있다.[20] 그 결과 핵분열 생성물만 남게 된다. 핵분열 생성물은 집계 반감기에 독특한 "간격"이 있어 91년에서 20만년 사이의 반감기를 가진 핵분열 생성물은 없다. 이러한 물리적 특성으로 인해 저장 후 수백 년이 지나면 FBR의 방사성 폐기물 활동성은 장수명 핵분열 생성물의 낮은 수준으로 빠르게 감소한다. 그러나 이러한 이점을 얻으려면 사용후 연료에서 트랜스우라늄 원소를 매우 효율적으로 분리해야 한다. 사용된 연료 재처리 과정에서 최종 폐기물에 상당량의 트랜스우라늄 원소가 남으면 이러한 이점이 크게 감소한다.[19]

핵분열성 연료 재고를 늘리는 것이 아니라 악티늄족 원소를 파괴하는 것을 주요 목적으로 하는 원자로는 '''소각로'''로 알려져 있다. 증식과 소각은 모두 우수한 중성자 경제에 의존하며, 많은 설계가 둘 중 하나를 수행할 수 있다. 증식 설계는 비분열성 물질의 증식 담요로 코어를 둘러싸고, 폐기물 소각로는 파괴할 비분열성 폐기물로 코어를 둘러싼다. 일부 설계에는 중성자 반사체 또는 흡수체가 추가된다.[39]

4. 설계

증식로는 매우 높은 중성자 경제성과 1.0보다 높은 변환율을 갖도록 설계된 원자로이다. 원칙적으로 거의 모든 원자로 설계를 수정하여 증식로로 만들 수 있다.[3]

수냉식 외에도 용융염 냉각, 가스 냉각, 액체금속 냉각 설계 등 다양한 종류의 증식로가 가능하다. 이러한 설계는 우라늄, 플루토늄, 악티늄족 원소, 토륨 등을 연료로 사용할 수 있으며, 핵분열성 연료 생성, 장기간 작동, 핵폐기물 연소 등 다양한 목표에 맞게 설계될 수 있다.

기존 원자로 설계는 중성자 스펙트럼을 기준으로 두 가지 범주로 나뉜다.


  • '''고속 증식로'''(FBR): 고속 중성자를 사용하여 우라늄-238에서 핵분열성 플루토늄을 증식한다.
  • '''열 증식로''': 감속된 중성자를 사용하여 토륨에서 핵분열성 우라늄-233을 증식한다.


현존하는 대규모 FBR 발전소는 액체 나트륨으로 냉각되는 액체금속 고속 증식로(LMFBR)이다. LMFBR은 두 가지 설계로 나뉜다.

  • ''루프형'': 1차 냉각재가 원자로 용기 외부의 1차 열교환기를 순환한다.


  • ''풀형'': 1차 열교환기와 펌프가 원자로 용기에 잠겨 있다.


2017년 기준으로 상업적으로 운영되는 증식로는 BN-600 원자로(560 MWe)와 BN-800 원자로(880 MWe) 두 기뿐이다. 모두 러시아의 나트륨 냉각로이며, 액체 금속을 1차 냉각재로 사용한다.

제안된 4세대 원자로 유형 중 세 가지는 FBR이다.[4]

  • 가스냉각 고속로: 헬륨으로 냉각된다.
  • 나트륨냉각 고속로: 기존 LMFBR과 적분형 고속로 설계를 기반으로 한다.
  • 납냉각 고속로: 소련 해군 추진 장치를 기반으로 한다.


FBR은 일반적으로 혼합 산화물 연료 심장을 사용하며, 농축 우라늄을 단독으로 사용할 수도 있다.

많은 설계에서 원자로 심장을 비분열성 우라늄-238이 들어 있는 관으로 둘러싸 플루토늄-239로 전환하여 핵연료로 사용한다.

고속로는 중성자를 감속시키기 위해 감속재가 필요 없으며, 고속 중성자를 이용하여 더 많은 중성자를 생성한다. 일반적인 액체 물은 감속재이자 중성자 흡수체이기 때문에 고속로의 바람직하지 않은 1차 냉각재이다.

초임계수냉각로(SCWR)의 초임계수 냉각재는 적은 양의 물로 충분한 냉각을 허용할 수 있어 고속 스펙트럼 수냉각로를 실용적인 가능성으로 만든다.[3]

냉각재의 종류, 온도 및 고속 중성자 스펙트럼은 연료 피복재에 극한 조건을 부과한다. 산화물 분산 강화 합금 강은 장기적인 내방사선성 연료 피복재로 간주된다.

선택된 악티늄족 원소의 열중성자 및 고속 중성자에 대한 핵분열 확률[37][38]
동위원소열중성자 핵분열
단면적		열중성자
핵분열
%		고속 중성자 핵분열
단면적		고속 중성자
핵분열
%
토륨-23253.71 마이크로바른핵분열하지 않음79.94 밀리바른핵분열하지 않음
우라늄-23276.52 바른592.063 바른95
우라늄-233531.3 바른891.908 바른93
우라늄-235585.1 바른811.218 바른80
우라늄-23816.8 마이크로바른핵분열하지 않음306.4 밀리바른11
넵투늄-23720.19 밀리바른핵분열하지 않음1.336 바른27
플루토늄-23817.77 바른71.968 바른70
플루토늄-239747.4 바른631.802 바른85
플루토늄-24036.21 밀리바른핵분열하지 않음1.328 바른55
플루토늄-2411012 바른751.626 바른87
플루토늄-2422.436 밀리바른핵분열하지 않음1.151 바른53
아메리슘-2413.122 바른핵분열하지 않음1.395 바른21
아메리슘-242m6401 바른751.834 바른94
아메리슘-24381.58 밀리바른핵분열하지 않음1.081 바른23
퀴륨-2424.665 바른핵분열하지 않음1.775 바른10
퀴륨-243587.4 바른782.432 바른94
퀴륨-2441.022 바른핵분열하지 않음1.733 바른33


4. 1. 전환율 (Conversion Ratio)

원자로 성능을 측정하는 지표 중 하나는 "전환율"이며, 이는 생성된 새로운 핵분열성 원자의 수를 소모된 핵분열성 원자의 수로 나눈 비율로 정의된다. 특별히 설계되고 운용되는 악티늄계열 연소로를 제외한 모든 제안된 원자로는 어느 정도의 전환을 경험한다. 원자로의 중성자속 내에 어떤 양의 핵생성 물질이 있는 한, 항상 새로운 핵분열성 물질이 생성된다. 전환율이 1보다 클 때는 "증식률"이라고 한다.

예를 들어, 일반적으로 사용되는 경수로는 약 0.6의 전환율을 가지고 있다. 천연 우라늄을 사용하는 가압중수로는 0.8의 전환율을 갖는다.[40] 증식로에서는 전환율이 1보다 높다. 전환율이 1.0에 도달하고 원자로가 사용하는 만큼의 핵분열성 물질을 생산할 때 "손익분기점"에 도달한다.

4. 2. 배가 시간 (Doubling Time)

증식로가 원래 연료를 대체할 만큼의 새로운 핵분열성 물질을 생산하고 추가적으로 다른 원자로를 위한 동등한 양의 연료를 생산하는 데 걸리는 시간을 배가 시간이라고 한다. 초기에는 우라늄이 부족할 것이라고 생각되었기에 초기 증식로 성능 측정의 중요한 지표로 여겨졌다. 그러나 원자로 개발 초기의 예상과 달리 우라늄이 풍부하고 사용후핵연료에 상당한 플루토늄이 존재함에 따라 배가 시간은 현대 증식로 설계에서 중요성이 낮아졌다.[41][42]

4. 3. 연소도 (Burnup)

연소도는 연료 내 중금속의 일정 질량에서 추출된 에너지의 양을 나타내는 척도로, 종종 (원자력 발전로의 경우) 중금속 1톤당 기가와트일(GWd/tHM) 단위로 표시된다. 연소도는 핵분열 반응로에서 생성되는 동위원소의 종류와 양을 결정하는 데 중요한 요소이다. 증식로는 폐기물의 대부분을 핵분열 생성물의 형태로 생성하는 반면, 대부분 또는 모든 악티늄족 원소는 핵분열되어 소멸되도록 설계되었기 때문에 기존 원자로에 비해 높은 연소도를 갖는다.[43]

4. 4. 재처리 (Reprocessing)

넓게 보면, 사용후 핵연료는 핵분열 생성물, 트랜스우라늄 원소, 우라늄의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 핵분열 생성물은 에너지를 방출하기 위해 분열된 후 남은 연료 원자의 조각으로, 우라늄보다 가벼운 수십 가지 원소와 수백 가지 동위원소로 구성된다. 트랜스우라늄 원소(우라늄보다 무거운 원자)는 연료 내 우라늄 또는 더 무거운 원자가 중성자를 흡수하지만 핵분열을 일으키지 않을 때 생성되며, 주기율표의 악티늄족 원소 계열에 속한다. 나머지 우라늄은 약 98.25%의 우라늄-238, 1.1%의 우라늄-235, 0.65%의 우라늄-236으로 구성된다. U-236은 U-235가 중성자를 흡수하지만 핵분열 대신 고에너지 감마선만 방출하는 비핵분열 포획 반응에서 생성된다.[28]

핵분열 생성물은 핵분열을 일으키지 않으므로 핵연료로 사용할 수 없고, 중성자 독으로 작용하여 핵분열성 물질을 소비하고 남은 핵 '재'로 간주된다. 장수명 핵분열 생성물 동위원소 중 반감기가 100년 이상인 것은 7가지뿐이어서 지질학적 저장 또는 처분이 트랜스우라늄 물질보다 덜 문제가 된다.[28]

핵폐기물 문제로 인해 악티늄족 폐기물, 특히 플루토늄과 미량 악티늄족 원소를 줄일 수 있는 증식 연료 사이클에 대한 관심이 높아졌다.[29] 증식로는 악티늄족 폐기물을 연료로 핵분열시켜 더 많은 핵분열 생성물로 전환한다. 사용후 핵연료는 경수로에서 제거된 후 각 핵종이 다른 속도로 붕괴하는 복잡한 붕괴 프로필을 거치는데, 트랜스우라늄 원소가 사용후 연료에 남아 있으면 1,000년에서 10만년 후 방사능 대부분이 발생한다. 따라서 폐기물에서 트랜스우라늄 원소를 제거하면 사용후 핵연료의 장기 방사능이 크게 감소한다.[30]

오늘날의 상용 경수로는 일부 새로운 핵분열성 물질을 플루토늄 형태로 생성하지만, 증식로로 설계되지 않아 소모된 우라늄-235를 대체할 만큼 충분한 우라늄-238을 플루토늄으로 전환하지 않는다. 그럼에도 상용 원자로에서 생산되는 전력의 3분의 1 이상은 연료 내 생성된 플루토늄의 핵분열에서 나온다.[31] 경수로는 생성하는 플루토늄과 미량 악티늄족 원소의 일부만 소비하고, 핵분열하지 않는 플루토늄 동위원소와 상당량의 다른 미량 악티늄족 원소가 축적된다.[32]

증식 연료 사이클은 악티늄족 폐기물, 특히 플루토늄의 다양한 동위원소와 미량 악티늄족 원소(넵투늄, 아메리슘, 퀴륨 등)를 줄일 수 있어 주목받고 있다.[29] 폐쇄 연료 사이클의 증식로는 연료로 공급되는 악티늄족 원소의 동위원소를 거의 모두 사용하므로 연료 요구량이 약 100배 감소하고, 생성되는 폐기물의 양도 약 100배 감소한다. 증식로 폐기물의 ''방사능''은 경수로 폐기물과 거의 같지만, 양은 크게 감소한다.[33]

증식로 폐기물은 대부분 핵분열 생성물인 반면, 경수로 폐기물은 대부분 사용되지 않은 우라늄 동위원소와 다량의 트랜스우라늄 원소로 구성되어 붕괴 거동이 다르다. 사용후 핵연료가 경수로에서 10만년 이상 제거된 후에는 트랜스우라늄 원소가 방사능의 주요 원인이 되므로, 이를 제거하면 장기 방사능이 크게 감소한다.[30]

증식 연료 사이클은 원칙적으로 모든 악티늄족 원소를 재활용하고 소비할 수 있으며,[20] 그 결과 핵분열 생성물만 남는다. 핵분열 생성물은 91년에서 20만년 사이의 반감기를 가진 핵분열 생성물이 없는 독특한 "간격"이 있어, 저장 후 수백 년이 지나면 FBR의 방사성 폐기물 활동성은 장수명 핵분열 생성물의 낮은 수준으로 빠르게 감소한다. 그러나 이를 위해서는 사용후 연료에서 트랜스우라늄 원소를 매우 효율적으로 분리해야 하며, 연료 재처리 과정에서 최종 폐기물에 상당량의 트랜스우라늄 원소가 남으면 이점이 크게 감소한다.[19]

FBR의 고속 중성자는 양성자와 중성자 수가 모두 짝수인 악티늄족 핵을 핵분열할 수 있지만, LWR에 사용되는 핵분열성 연료의 저속 "열 중성자" 공명은 없다.[34] 토륨 연료 사이클은 더 낮은 수준의 중원소 악티늄족 원소를 생성하는데, 토륨-232는 트랜스우라늄 원소가 생성되기 전 핵당 6개의 중성자 포획 사건이 더 필요하다. 반응기는 질량이 증가함에 따라 핵을 핵분열할 두 번의 기회를 얻는다. 첫 번째는 U233이고, 두 개의 중성자를 더 흡수하여 U235로 핵분열한다.[35][36]

핵분열성 연료 재고 증가가 아닌 악티늄족 원소 파괴를 주요 목적으로 하는 원자로는 '''소각로'''로 알려져 있다. 증식과 소각은 모두 우수한 중성자 경제에 의존하며, 많은 설계가 둘 중 하나를 수행할 수 있다. 증식 설계는 비분열성 물질의 증식 담요로 코어를 둘러싸고, 폐기물 소각로는 파괴할 비분열성 폐기물로 코어를 둘러싼다. 일부 설계에는 중성자 반사체 또는 흡수체가 추가된다.[39]

원자로에서 핵연료 분열은 중성자 흡수 핵분열 생성물을 생성하므로, 증식로의 번식성 물질은 이러한 중성자 독을 제거하기 위해 재처리되어야 한다. 이는 소비되는 것만큼 또는 그 이상의 연료를 생산하는 데 필요하다. 모든 재처리는 사용후핵연료에서 무기로 사용 가능한 물질을 추출할 수 있어 핵확산 문제를 야기할 수 있다.[48] 가장 일반적인 재처리 기술인 PUREX는 플루토늄을 분리하도록 설계되어 우려를 더한다. 증식로 연료주기의 초기 제안은 핵무기 사용에 매력적인 동위원소 형태로 플루토늄을 분리하기 위해 PUREX를 사용했기 때문에 더 큰 확산 문제를 야기했다.[49][50]

몇몇 국가에서는 플루토늄을 다른 악티늄족 원소로부터 분리하지 않는 재처리 방법을 개발하고 있다. 비수계 파이로금속야금 전해 추출 공정은 적분형 고속로의 연료를 재처리할 때 다량의 방사성 악티늄족 원소를 원자로 연료에 남겨둔다.[19] 일반적인 수계 재처리 시스템에는 SANEX, UNEX, DIAMEX, COEX 및 TRUEX가 있으며, 이들과 PUREX를 결합하는 제안도 있다. 이들은 PUREX보다 확산 저항성이 우수하지만 채택률은 낮다.[51][52][53]

토륨 연쇄 반응에서는 토륨-232가 프로탁티늄-233으로 전환된 다음 우라늄-233으로 붕괴되어 증식한다. 프로탁티늄이 원자로에 남아 있으면 소량의 우라늄-232도 생성되는데, 이는 강력한 감마선 방출체인 탈륨-208을 붕괴 사슬에 포함하고 있다. 연료와 번식성 물질이 원자로에 오래 머물수록 바람직하지 않은 원소가 더 많이 축적된다. 상업용 토륨 원자로에서는 높은 수준의 우라늄-232가 축적되어 토륨에서 유래한 모든 우라늄으로부터 높은 감마선량을 발생시킨다. 이러한 감마선은 무기 취급과 전자 장치 설계를 복잡하게 만들어, 우라늄-233은 개념 증명 시연을 넘어 무기로 사용되지 않았다.[54]

토륨 연쇄 반응은 연료로부터 우라늄-233을 추출하는 것과 관련하여 (우라늄-232의 존재로 인해) 확산 저항성이 있을 수 있지만, 프로탁티늄-233을 화학적으로 추출하고 원자로 외부에서 순수 우라늄-233으로 붕괴되도록 하는 대체 경로로 인해 확산 위험이 있다. 이는 원자로 설계의 정상 작동에는 필요하지 않은 화학적 조작이지만, 국제원자력기구(IAEA) 등의 감시를 벗어나 발생할 수 있으므로 방지해야 한다.[55]

5. 주요 증식로

다음은 주목할 만한 증식로 목록이다.[12][64][65][66][67]

주목할 만한 증식로
원자로건설 국가
(년도)		가동 시작가동 중단설계
(MWe)		최종
(MWe)		열 출력
(MWt)		가동률냉각재 누출 횟수중성자 온도냉각재원자로 종류
DFR영국1962197714116534%7고속나트륨-포타슘시험용
중국 실험 고속로중국2012운영 중20226540%8고속나트륨시험용[68]
CFR-600중국2017시운전/2023642682188234%27고속나트륨상용[69]
BN-350소비에트 연방197319993505275043%15고속나트륨시제품
랩소디프랑스196719830–40–2고속나트륨시험용
페닉스프랑스1975201023313056340.5%31고속나트륨시제품
PFR영국1976199423423465026.9%20고속나트륨시제품
KNK II독일1977199118175817.1%21고속나트륨연구/시험용
SNR-300독일19851991327––비핵 시험만–고속나트륨시제품/상용
BN-600소비에트 연방1981운영 중560560147074.2%27고속나트륨시제품/상용 (2세대)
FFTF미국198219930–400–1고속나트륨시험용
슈퍼페닉스프랑스198519981200120030007.9%7고속나트륨시제품/상용 (2세대)
FBTR인도1985운영 중13–40–6고속나트륨시험용
PFBR인도20042024500–1250––고속나트륨시제품/상용 (3세대)
조요일본197720070–150––고속나트륨시험용
몬주일본19952017246246714시험 가동만1고속나트륨시제품
BN-800러시아2015운영 중789880210073.4%–고속나트륨시제품/상용 (3세대)
MSRE미국196519690–7.4––중간 에너지용융염 (FLiBe)시험용
클레멘타인미국194619520–0.025––고속수은세계 최초 고속로[12]
EBR-1미국195119640.20.21.4––고속나트륨-포타슘최초의 발전용 원자로
페르미-1미국196319726666200––고속나트륨시제품
EBR-2미국19641994191962.5––고속나트륨실험/시험용
십핑포트미국1977
(증식로로 개조)		19826060236––열중성자경수실험용-코어3



소비에트 연방은 일련의 고속로를 건설했는데, 최초의 고속로는 수은으로 냉각되고 플루토늄 금속으로 연료가 공급되었고, 후속 원자로는 나트륨으로 냉각되고 플루토늄 산화물로 연료가 공급되었다. BR-1 (1955)은 100W(열출력)였고, 그 뒤를 이어 100kW의 BR-2, 그리고 5MW의 BR-5가 건설되었다.[70] BOR-60 (최초 임계 도달 1969)은 60MW였고, 건설은 1965년에 시작되었다.[71]

6. 미래 전망

고속 증식로는 수십 년 동안 많은 논란의 대상이 되어 왔다. 핵분열 물질에 관한 국제 패널(International Panel on Fissile Materials)은 2010년에 "60년 동안 수십억 달러에 해당하는 비용을 지출했음에도 불구하고, 증식로의 약속은 대부분 실현되지 않았고, 대부분의 국가에서 상업화 노력이 꾸준히 축소되었다"고 말했다.[56][57] 독일, 영국, 미국에서는 증식로 개발 프로그램이 중단되었다.[56][57]

증식로 추진의 근거는 다음과 같은 주요 가정에 기반을 두었다.[57][58]


  • 원자력이 대규모로 배치될 경우 우라늄이 부족해질 것으로 예상되었으나, 냉전 종식 이후 우라늄은 예상보다 저렴하고 풍부하다.[59]
  • 증식로가 경수로와 경제적으로 빠르게 경쟁력을 갖추게 될 것으로 예상되었지만, 현실은 자본 비용이 더 많다.
  • 증식로는 경수로만큼 안전하고 신뢰할 수 있을 것으로 생각되었지만, 나트륨 냉각재 사용으로 인한 안전 문제가 우려된다.
  • 증식로와 플루토늄이 재활용되는 "폐쇄형" 연료주기가 야기하는 확산 위험을 관리할 수 있을 것으로 예상되었으나, 모든 증식 주기는 이론적으로 확산 위험을 야기할 수 있다.[60]


하지만 증식로는 폐기물의 대부분을 효과적으로 재활용하기 때문에, 과거 반핵 운동가 중 일부는 깨끗한 전력원으로서 원자력을 옹호하기도 한다. 다큐멘터리 영화 ''판도라의 약속(Pandora's Promise)''에서는 증식로가 화석 연료 에너지에 대한 실질적인 고kW 대안을 제공한다고 주장한다. 영화에 따르면, 1파운드의 우라늄은 석유 5,000배럴만큼의 에너지를 제공한다.[62][63]

중국 실험 고속로(CEFR)는 65메가와트(열출력), 20메가와트(전력)의 나트륨냉각 풀형 원자로로, 설계 수명은 30년이며, 연소도 목표는 100MWd/kg이다.

6. 1. 인도

인도는 수십 년 동안 고속증식로 개발을 시도해 왔지만 여러 차례 지연을 겪었다.[72] 2024년 12월까지 원형 고속증식로가 완공되어 가동될 예정이다.[73][74][75] 이 프로그램은 불임성 핵종인 토륨-232를 사용하여 핵분열성 핵종인 우라늄-233을 생산하는 것을 목표로 한다. 인도는 또한 토륨 열증식로 기술도 추진하고 있다. 인도가 토륨에 주목하는 것은 이 나라의 토륨 매장량이 많기 때문인데, 전 세계적으로 알려진 토륨 매장량은 우라늄 매장량의 네 배에 달한다. 인도 원자력부는 2007년에 칼팍캄에 2기 포함, 500 MWe급 고속증식로 4기를 동시에 건설할 것이라고 발표했다.[76]

인도의 원자력 발전 회사인 바비니(BHAVINI)는 2003년에 설립되어 인도의 3단계 원자력 발전 계획에 제시된 모든 2단계 고속증식로의 건설, 준공 및 운영을 담당한다. 이 계획을 추진하기 위해 FBR-600은 600 MWe급 풀형 나트륨냉각로이다.[77][78][75]

6. 2. 중국

중국 실험 고속로는 계획된 중국 시험 고속로의 25 MW(e)급 시제품이다.[79] 2011년에 발전을 시작했다.[80] 중국은 2011년 중국과학원 연례 회의에서 공식적으로 발표된 토륨 용융염 열 증식로 기술(액체 불화물 토륨 원자로) 연구 개발 프로젝트를 시작했다. 궁극적인 목표는 약 20년에 걸쳐 토륨 기반 용융염 원자로 시스템을 조사하고 개발하는 것이었다.[81][82]

6. 3. 대한민국

한국은 이미 개발 및 건설한 표준 가압경수로와 CANDU(캐나다형 중수로) 원전 설계를 보완하기 위해 수출용 표준화된 모듈형 고속 증식로 설계를 개발 중이지만, 아직 시제품 건설에는 착수하지 않았다.

BN-600 원자로의 단면 모형(BN-800 원자로 계열에 의해 대체됨)


BN-800 원자로 건설

6. 4. 러시아

러시아는 고속증식로 함대를 크게 늘리려는 계획을 가지고 있다. 벨로야르스크 원자력 발전소에 있는 BN-800 원자로(800 MWe)는 2012년에 완공되어 더 작은 BN-600 원자로를 계승하였다.[83] 2016년에 완전 발전을 달성하였다.[84] 더 큰 BN-1200 원자로(1,200 MWe) 건설 계획은 2018년 완료를 목표로 하였고, 2030년 말까지 BN-1200 원자로 2기가 추가로 건설될 예정이었다.[85] 그러나 2015년 로스에네르고아톰은 BN-800 원자로 운영 경험을 바탕으로 연료 설계를 개선하고 비용 문제를 고려하여 건설을 무기한 연기하였다.[86]

실험용 납냉각 고속로인 BREST-300 (bystry reaktor so svintsovym teplonositelem|en|fast reactor with lead coolantru)은 세베르스크의 시베리아 화학 결합에 건설될 예정이다. BREST 설계는 BN 시리즈의 후속으로 여겨지며, 시베리아 화학 결합의 300MWe 설비는 상업용 발전 설비로 광범위하게 배치될 1200MWe 버전의 선구자 역할을 할 수 있다. 이 개발 프로그램은 우라늄 효율을 높이고 폐기물로 처리될 방사성 물질을 '소각'하는 고속로를 활용하려는 2010~2020년 고급 원자력 기술 연방 프로그램의 일환이다. 원자로 심장은 직경 약 2.3m, 높이 1.1m이며 16ton의 연료를 포함한다. 연료는 매년 재충전되며, 각 연료 요소는 총 5년 동안 심장 내에 머문다. 납 냉각재 온도는 약 540°C이며, 효율 43%, 1차 열 생산량 700MWt, 발전량 300MWe의 높은 효율을 제공한다. 설비의 운영 수명은 60년이 될 수 있다. NIKIET은 2014년까지 설계를 완료하고 2016년부터 2020년 사이에 건설할 예정이었다.[87] 2024년 말까지 냉각탑이 건설되었고, 운전 개시 목표는 2026년이었다.

6. 5. 일본

2006년 미국, 프랑스, 일본은 글로벌 원자력 에너지 파트너십을 지원하기 위해 소듐냉각고속로의 연구 개발을 위한 "협정"을 체결했다.[88] 2007년 일본 정부는 일본 내 고속증식로 개발의 "핵심 기업"으로 미쓰비시 중공업을 선정했다.[89] 그 직후, 미쓰비시 FBR 시스템즈가 고속증식로 기술을 개발하고 최종적으로 판매하기 위해 설립되었다.[89]

프랑스의 마르쿨 원자력 시설(왼쪽에 페닉스 원자로 위치)

6. 6. 프랑스

프랑스 정부는 2010년에 원자력청(Commissariat à l'énergie atomique)에 6.516억유로를 배정하여 600MW급 4세대 원자로인 ASTRID(고급 나트륨 기술 원자로 산업 시범, Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) 설계를 2020년까지 완료하도록 했다.[90][91] 2013년 기준으로 영국은 PRISM(PRISM 원자로)에 관심을 보였고 프랑스와 협력하여 ASTRID 개발을 진행하고 있었다. 2019년 프랑스 대체에너지 및 원자력청(French Alternative Energies and Atomic Energy Commission, CEA)은 이 설계가 21세기 중반 이전에는 건설되지 않을 것이라고 발표했다.[92]

6. 7. 미국

커크 소렌슨은 전 NASA 과학자이자 텔레다인 브라운 엔지니어링의 수석 원자력 기술자로, 오랫동안 토륨 연료주기, 특히 용융염 토륨 원자로(LFTR)를 옹호해왔다. 2011년, 소렌슨은 군사 기지를 위한 20~50MW급 LFTR 원자로 설계를 개발하는 것을 목표로 플라이브 에너지라는 회사를 설립했다.[93][94][95][96]

2010년 10월, GE 히타치 뉴클리어 에너지는 미국 에너지부의 사바나 강 부지 운영자와 양해각서를 체결했는데, 이는 회사의 S-PRISM 속증식로에 대한 원자력 규제위원회의 허가 승인을 받기 전에 시범 발전소 건설을 허용하는 것이었다.[97]

인텔렉추얼 벤처스의 특허에서 제안된 이동파 원자로(TWR)는 수십 년 동안의 원자로 수명 동안 연료 재처리가 필요 없는 속증식로이다. TWR 설계에서의 증식-연소파는 원자로의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하는 것이 아니라 안쪽에서 바깥쪽으로 점진적으로 이동한다. 또한, 핵 변환을 통해 연료의 구성이 변함에 따라, 주어진 시점에서 중성자속과 연료 사용을 최적화하기 위해 연료봉이 핵심 내에서 지속적으로 재배치된다. 따라서 파가 연료를 통해 전파되도록 하는 대신, 연료 자체가 거의 정지된 연소파를 통해 이동한다. 테라파워의 설계는 정적 코어 구성을 적극적으로 관리되는 "정상파" 또는 "솔리톤" 코어로 대체함으로써 고변동 연소 영역을 냉각하는 문제를 해결한다. 이러한 시나리오에 따르면, 로봇 장치에 의해 연료봉의 재구성이 원격으로 수행된다. 격납 용기는 절차 중에 닫힌 상태를 유지하며, 관련된 가동 중단 시간이 없다.[99]

7. 진행파로 (Traveling Wave Reactor, TWR)

인텔렉추얼 벤처스(Intellectual Ventures)가 특허를 낸 진행파로(traveling wave reactor, TWR)는 수십 년 동안 연료 재처리가 필요 없는 고속증식로이다. TWR 설계에서 증식-연소파는 원자로의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하는 것이 아니라 안쪽에서 바깥쪽으로 점진적으로 이동한다. 또한, 핵 변환으로 연료 구성이 변하면, 주어진 시점에서 중성자속과 연료 사용을 최적화하기 위해 연료봉이 핵심 내에서 지속적으로 재배치된다. 따라서 파가 연료를 통해 전파되는 대신, 연료 자체가 거의 정지된 연소파를 통해 이동한다. 이는 연소 영역이 연료 막대를 따라 이동하는 촛불과 같은 원자로라는 개념을 대중화한 많은 언론 보도와는 반대된다. 테라파워(TerraPower)의 설계는 정적 코어 구성을 적극적으로 관리되는 "정상파" 또는 "솔리톤" 코어로 대체함으로써 고변동 연소 영역을 냉각하는 문제를 해결한다. 이 시나리오에 따르면, 로봇 장치로 연료봉 재구성이 원격으로 수행된다. 격납 용기는 절차 중에 닫힌 상태를 유지하며, 관련된 가동 중단 시간이 없다.[99]

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