진행파 원자로

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1. 개요
2. 역사
3. 원자로 물리학
- 3.1. 핵반응 과정
- 3.2. 노심 내 구역
4. 연료
- 4.1. 사용후 핵연료 재활용
- 4.2. 토륨 연료 주기
5. 진행파 vs. 정상파
참조

1. 개요

진행파 원자로는 핵분열 반응이 연료를 따라 이동하는 원자로 개념으로, 1958년 소련의 사벨리 모이세비치 파인버그가 처음 제안했다. 이후 테라파워(TerraPower)가 상용화를 추진하며, 2015년 중국 핵공업 집단 공사와 공동 개발을 위한 양해 각서를 체결했으나, 기술 이전 제한으로 프로젝트가 중단되었다. 진행파 원자로는 열화 우라늄을 연료로 사용하며, 핵분열을 시작하기 위해 소량의 농축 우라늄이 필요하다. 핵반응 과정에서 플루토늄이 생성되며, 연료의 높은 연소율과 에너지 밀도로 인해 연료 소모량이 적고, 사용후 핵연료 재활용이 가능하다. 테라파워의 TWR 설계는 핵분열파가 원자로의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하는 대신, 중앙에서 바깥쪽으로 점차적으로 이동하는 방식을 사용한다.

2. 역사

진행파 원자로는 1950년대부터 제안되어 간헐적으로 연구되어 온 개념이다. 이 원자로는 핵연료를 자체적으로 증식할 수 있다는 특징이 있다.

2010년에는 포파-시밀이 미세 이종 구조에서의 플루토늄 증식이 연료 주기를 향상시킨다는 연구 결과를 발표했다.^[8]^[9] 2012년에는 핵분열 파동이 양안정 반응 확산 현상의 일종이며, 열적 피드백에 따라 안정, 불안정, 호프 분기(Hopf birfurcation)를 겪을 수 있다는 사실이 밝혀졌다.^[11]^[12] 방사선 손상은 초기에는 재료 사용에 걸림돌이었으나, 2012년과 2019년에 연료 농축을 통해 이 문제를 완화할 수 있다는 연구 결과가 나왔다.^[13]^[14]

현재 널리 사용되는 가압수형 원자로(PWR)나 비등수형 원자로(BWR)와 달리, 진행파 원자로는 우라늄 농축 과정에서 발생하는 열화 우라늄을 연료로 사용할 수 있다. 핵연료인 열화 우라늄에서 시작된 핵분열 연쇄 반응은 파동처럼 60년 이상 서서히 진행된다.

2010년 3월 마이크로소프트 창업자 빌 게이츠가 출자한 테라파워와 도시바가 기술 협력을 위한 검토를 시작했다는 소식^[29] 이후, 일본에서도 진행파 원자로에 대한 관심이 높아졌다.

2. 1. 초기 제안 및 연구

사벨리 모이세비치 파인버그는 1958년 "증식 연소" 원자로 개념을 처음 제안했다.^[1] 마이클 드리스코는 1979년에 이 개념에 대한 추가 연구를 발표했고,^[2] 1988년 레프 페오크티스토프,^[3] 1995년 에드워드 텔러/로웰 우드,^[4] 2000년 휴고 반 담,^[5] 2001년 세키모토 히로시 등이 관련 연구를 진행했다.^[6]

2. 2. CANDLE 원자로

CANDLE 원자로는 2004년, 2006년, 2010년 일본에서 열린 혁신적인 원자력 에너지 시스템(INES) 심포지엄에서 논의되었다. CANDLE은 "에너지 생산 수명 동안 중성자 플럭스, 핵종 밀도 및 출력 형상의 일정 축 방향 형태(Constant Axial shape of Neutron flux, nuclides densities and power shape During Life of Energy production)"의 약자이다.^[7] 일본 도쿄공업대학의 세키모토 히로시 교수가 CANDLE 방식 연구를 진행했다.^[6]

2. 3. 테라파워와 상용화 노력

2006년, 인텔렉추얼 벤처스는 진행파 원자로 상용화를 추진하기 위해 테라파워를 설립했다.^[15] 빌 게이츠는 2010년 TED 강연에서 테라파워를 소개하며 진행파 원자로의 가능성을 강조했다.^[16]

2015년 9월, 테라파워는 중국 핵공업 집단 공사(CNNC)와 진행파 원자로 공동 개발을 위한 양해 각서를 체결했다.^[18] 테라파워는 2018~2022년까지 600MWe 규모의 TWR-P 실증 플랜트를 건설하고, 2020년대 후반에 1150MWe 규모의 대형 상업 플랜트를 건설할 계획이었다.^[18] 그러나 2019년 1월, 도널드 트럼프 행정부가 부과한 기술 이전 제한으로 인해 이 프로젝트가 중단되었다고 발표되었다.^[19]

3. 원자로 물리학

테라파워(TerraPower)의 TWR은 액체 나트륨 냉각 풀형 원자로이며, 주로 열화 우라늄-238을 연료로 사용한다.^[20]^[21]^[22] 핵분열을 시작하기 위해 소량의 농축 우라늄-235 또는 기타 핵분열성 연료가 필요하다.

TWR은 열화 우라늄에 중성자를 충돌시켜 플루토늄을 증식시키고, 증식된 플루토늄의 핵분열을 통해 에너지를 생산한다. 이때 발생한 열은 용융 나트륨으로 흡수된 후 밀폐 사이클 수계 루프를 통해 증기 터빈으로 전달되어 전력을 생산하는 데 사용된다.^[21]

핵연료로는 핵분열성 우라늄235 함유율이 0.2% 정도로 낮은 열화 우라늄이 사용된다. 핵분열 연쇄 반응 시작 시에는 농축 우라늄을 사용하며, 정상 상태에서는 중성자와 우라늄238의 충돌로 생성된 핵분열성 플루토늄239이 핵분열하여 에너지와 중성자를 발생시킨다.

핵분열 반응이 일어나는 영역은 사용 완료 영역이 증가하고 사용 가능 영역이 감소함에 따라 서서히 이동하므로, "진행파 원자로"라는 이름이 붙여졌다.

3. 1. 핵반응 과정

테라파워(TerraPower)의 TWR에 대한 논문과 발표 자료^[20]^[21]^[22]에 따르면, 진행파 원자로는 주로 열화 우라늄-238을 연료로 사용하지만, 핵분열을 시작하기 위해 소량의 농축 우라늄-235 또는 기타 핵분열성 연료가 필요하다. 핵분열로 생성된 일부 고속 중성자는 열화 우라늄에 포획되어 흡수되고, 핵반응을 통해 플루토늄으로 "증식"된다.

핵반응 과정은 다음과 같다.^[21]

:

\mathrm{^{238}_{\ 92}U + \,^{1}_{0}n \;\rightarrow\; ^{239}_{\ 92}U \;\rightarrow\; ^{239}_{\ 93}Np + \beta \;\rightarrow\; ^{239}_{\ 94}Pu + \beta}

1. 우라늄238(열화 우라늄)에 중성자 1개를 충돌시키면 우라늄239가 생성된다.

2. 우라늄239는 베타 붕괴하여 넵투늄239로 변환된다.

3. 넵투늄239는 다시 베타 붕괴하여 핵분열성 플루토늄239가 된다.

4. 플루토늄239에 중성자가 닿아 핵분열이 일어나고, 이 과정에서 몇 개의 중성자가 방출된다.

5. 발생한 중성자는 주변의 반사판에 닿아 속도가 느려진 후 우라늄238이나 플루토늄239에 흡수되어 다음 반응을 촉진한다.

6. 이러한 핵분열 반응이 연속적으로 진행되며, 이 과정에서 생성되는 열에너지를 이용한다.

원자로가 가동되면 핵연료심 내부에 4개의 구역이 형성된다.^[21]

열화 구역: 핵분열 생성물과 남은 연료가 있는 구역
분열 구역: 증식된 연료의 분열이 일어나는 구역
증식 구역: 중성자 포획에 의해 핵분열성 물질이 생성되는 구역
신선 구역: 반응하지 않은 생식 물질이 있는 구역

에너지 생성 분열 구역은 핵연료심을 통해 꾸준히 전진하며, 앞쪽의 생식 물질을 효과적으로 소모하고 뒤에 사용후 핵연료를 남긴다.

3. 2. 노심 내 구역

처음에는 핵연료심에 생식 물질을 채워 넣고, 중앙 영역에 소수의 핵분열성 연료봉을 집중시킨다. 원자로가 가동되면 핵연료심 내부에 4개의 구역이 형성된다.^[21]

열화 구역: 대부분의 핵분열 생성물과 남은 연료가 들어 있다.
분열 구역: 증식된 연료의 분열이 일어난다.
증식 구역: 중성자 포획에 의해 핵분열성 물질이 생성된다.
신선 구역: 반응하지 않은 생식 물질이 들어 있다.

에너지 생성 분열 구역은 핵연료심을 통해 꾸준히 전진하여, 앞쪽의 생식 물질을 효과적으로 소모하고 뒤에 사용후 핵연료를 남긴다. 분열에 의해 방출된 열은 용융 나트륨에 흡수된 후 밀폐 사이클 수계 루프로 전달되어 증기 터빈에 의해 전력을 생산한다.^[21]

4. 연료

TWR은 핵반응 개시에 필요한 소량(약 10%)의 농축 우라늄-235 또는 다른 핵분열성 연료를 제외하고는, 대부분 천연 우라늄-238 또는 열화 우라늄-238로 구성된다.^[22] TWR은 높은 연료 연소율, 에너지 밀도, 열효율 덕분에 경수로(LWR)보다 전력 생산량(kWh)당 연료 소모량이 훨씬 적다. 또한, 사용후 핵연료는 화학적 분리 없이 간단한 "용융 정제" 후 재활용이 가능하여 핵확산 저항성을 높인다.^[21]

열화 우라늄은 핵 농축 과정의 부산물로 다량 존재한다.^[23] 테라파워(TerraPower)는 패듀카 가스 확산 공장(Paducah Gaseous Diffusion Plant)의 비축량만으로도 100조달러 상당의 전력에 해당하는 에너지 자원을 나타낸다고 추정했다.^[22] 더불어, TWR이 널리 보급되면 전 세계 열화 우라늄 비축량으로 전 세계 인구의 80%가 미국 1인당 에너지 사용량만큼 1,000년 이상 에너지를 쓸 수 있다고 추정했다.^[24]

핵분열 연쇄 반응을 시작할 때는 농축 우라늄을 사용하지만, 일단 연쇄 반응이 시작된 후 정상적인 발전 상태에서는 중성자가 우라늄-238에 충돌하여 핵분열성 플루토늄-239을 생성한다. 생성된 플루토늄은 핵분열하여 에너지와 중성자를 방출한다.

4. 1. 사용후 핵연료 재활용

TWR은 경수로(LWR)의 사용후 핵연료를 연소시킬 수 있어 핵 폐기물 비축량 감소에 기여할 수 있다. 사용후 LWR 연료는 주로 저농축 우라늄(LEU)이며, TWR 고속 중성자 스펙트럼에서 핵분열 생성물의 중성자 흡수 단면적은 LWR 열 중성자 스펙트럼보다 몇 배 더 작다. 이러한 접근 방식은 핵 폐기물 비축량의 전반적인 감소를 가져올 수 있지만, 이를 실현하기 위해서는 추가적인 기술 개발이 필요하다.

TWR은 자체 연료 재사용도 가능하다. 주어진 작동 주기에서 연료의 20~35%만이 사용할 수 없는 형태로 변환되며, 나머지 금속은 사용 가능한 핵분열성 물질을 구성한다. 화학적 분리 없이 새로운 구동 펠릿으로 재주조 및 재피복된 이 재활용 연료는 후속 작동 주기에서 핵분열을 시작하는 데 사용될 수 있어 우라늄 농축 필요성을 줄인다.

4. 2. 토륨 연료 주기

TWR은 ²³⁸U^영어-²³⁹Pu^영어 주기에서 플루토늄-239를 "개시제"로 사용하여 우라늄을 연소시키는 것뿐만 아니라, ²³²Th^영어-²³³U^영어 주기에서 토륨과 우라늄-233을 "개시제"로 사용하여 연소시킬 수도 있다.^[25]

5. 진행파 vs. 정상파

테라파워의 TWR 설계에서 핵분열파는 원자로의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하지 않고,^[26] 중앙에서 바깥쪽으로 점차적으로 이동한다. 더욱이, 핵 변환을 통해 연료의 조성이 변화함에 따라 중성자 플럭스와 연료 사용을 최적화하기 위해 연료봉이 지속적으로 노심 내부에서 재배치된다. 따라서 파동이 연료를 통해 전파되도록 하는 대신, 연료 자체가 주로 정지된 연소파를 통해 이동한다. 이는 많은 언론 보도^[27]와는 반대되는 것으로, 언론은 연료 구역을 따라 이동하는 연소 영역을 가진 양초와 같은 원자로라는 개념을 대중화했다. 그러나 정적 노심 구성을 능동적으로 관리되는 "정상파" 또는 "솔리톤"으로 대체함으로써 테라파워의 설계는 이동하는 연소 영역을 냉각하는 문제를 피한다. 이 시나리오에서 연료봉의 재구성은 로봇 장치를 통해 원격으로 수행된다. 이 과정에서 격납 용기는 닫힌 상태로 유지되며, 관련 가동 중단 시간은 없다.

참조

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_[5] 간행물 The Self-stabilizing Criticality Wave Reactor Proc. Of the Tenth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2000), NRG, Petten, Netherlands 2000
_[6] 논문 CANDLE: The New Burnup Strategy 2001
_[7] 간행물 as proposed by Sekimoto in 2001 and 2005 published in Progress in Nuclear Energy
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_[27] 뉴스 Developer of Novel Reactor Wins $35 Million Infusion https://www.nytimes.[...] 2010-06-15
_[28] 논문 CANDLE: The New Burnup Strategy 2001
_[29] 뉴스 ゲイツ氏と東芝、原発開発でタッグ? 米企業が協力要請 http://www.asahi.com[...] 2010-03-24
_[30] 뉴스 John Gilleland: On the traveling-wave reactor 2009-09
_[31] 간행물 10 Emerging Technologies of 2009: Traveling-Wave Reactor MIT Technology Review 2009-03
_[32] 간행물 TerraPower, LLC Nuclear Initiative http://www.nuc.berke[...] University of California at Berkeley, Spring Colloquium 2009-04-20

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