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3세대 원자로

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1. 개요

3세대 원자로는 2세대 원자로의 안전성을 개선한 설계로, 1990년대부터 개발이 시작되었다. 안전, 비용, 시공 가능성을 해결하는 것을 목표로 하며, 수동 안전 기능을 통합하여 비정상적인 사건 발생 시에도 안전하게 작동하도록 설계되었다. 최초의 3세대 원자로는 일본에서 건설되었으며, 2017년 러시아에서 최초로 상업 운전을 시작했다. 3세대 원자로는 AP1000, EPR, VVER-1200 등 다양한 모델이 있으며, 현재 여러 국가에서 건설 중이다. 3세대 원자로의 안전성에 대한 비판과 긍정적인 평가가 공존하며, 일부 설계는 비용 절감과 안전성에 대한 우려를 제기받기도 한다.

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3세대 원자로
3세대 원자로
개요
개발 목표안전성 향상
경제성 향상
핵확산 저항성 강화
특징노심 용융 사고 방지 기능 강화
피동적 안전 장치 도입
운전 및 유지 보수 비용 절감
핵연료 이용률 향상
기술적 특징
안전성사고 발생 가능성 감소
사고 영향 최소화
비상 노심 냉각 장치 (ECCS) 성능 향상
격납 건물 설계 강화
경제성건설 비용 절감
운전 및 유지 보수 비용 절감
핵연료 이용률 향상
발전소 수명 연장
핵확산 저항성사용후 핵연료 관리 강화
핵물질 불법 전용 방지
국제 핵확산 금지 체제 준수
주요 3세대 원자로 모델
가압 경수로 (PWR)개량형 가압 경수로 (APWR)
유럽형 가압 경수로 (EPR)
웨스팅하우스 AP1000
한국형 APR-1400
중국의 Hualong One (화룽 1호)
비등수형 원자로 (BWR)개량형 비등수형 원자로 (ABWR)
가압 중수로 (PHWR)캐나다형 개량 CANDU 원자로 (ACR)
3세대 원자로의 장단점
장점안전성 향상으로 인한 사고 위험 감소
경제성 향상으로 인한 발전 단가 절감
핵확산 저항성 강화로 인한 핵 안보 강화
단점초기 건설 비용 증가
새로운 기술 적용에 따른 기술적 위험
기존 원전과의 호환성 문제
추가 정보
관련 기술피동적 안전 장치
사고 저항성 핵연료 (ATF)
디지털 계측 제어 시스템
원격 감시 및 진단 기술
같이 보기
관련 항목원자력
원자력 발전소
차세대 원자로

2. 발전

3세대 원자로는 현재 가동 중인 원자로의 대다수를 차지하는 2세대 원자로의 후속 모델이며, 소위 진보된 경수로(LWR)이다. 3세대+ 원자로는 "진화형 설계"로 분류된다.[1]

3세대 원자로는 2세대 원자로(40년 설계 수명)보다 긴 작동 수명(60년 설계 수명)을 갖도록 설계되었다.[2][3] 노심 손상 빈도는 2세대 원자로보다 낮게 설계되었다. 유럽형 가압 경수로(EPR)는 1억 원자로-년당 60건, 경제성 단순화 비등수형 원자로(ESBWR)는 3건으로, 2세대 원자로(1억 원자로-년당 1,000건)에 비해 현저히 낮다.[4] 3세대 EPR 원자로는 우라늄을 더 효율적으로 사용하도록 설계되어, 발전량 단위당 약 17% 적은 우라늄을 사용한다.[5]

EPR 코어 포집실은 코륨이 노심 용융될 경우 이를 포집하도록 설계되었다.


3세대+ 원자로는 3세대 원자로 설계보다 안전성을 개선했으며, 1990년대부터 미국, 일본, 서유럽의 경수로 운영 경험을 바탕으로 개발되었다. 원자력 산업은 3세대+ 설계가 안전, 비용, 시공 가능성이라는 세 가지 주요 문제를 해결해야 한다고 제안하면서 원자력 부흥을 홍보했지만, 이러한 추정치는 지나치게 낙관적인 것으로 드러났다.

3세대+ 시스템은 일부 설계에 수동 안전 기능을 통합하여 비정상적인 사건의 영향을 완화한다.

카크라파 원자력 발전소 3, 4호기 건설 중. 인도의 첫 번째 3세대+ 원자로


3세대+ 원자로는 후쿠시마에서 발생한 종류의 재앙을 피하기 위해 추가적인 안전 기능을 통합한다. 수동 냉각이라고도 알려진 3세대+ 설계의 수동 안전은 비상사태 발생 시 발전소를 안전하게 폐쇄하기 위해 지속적인 운영자의 조치나 전자적 피드백이 필요하지 않다. 많은 3세대+ 원자로는 코어 캐처를 가지고 있다. 예를 들어, 로사톰은 VVER 원자로에 200톤의 코어 캐처를 설치했다.[7][8]

2. 1. 최초의 원자로

최초의 3세대 원자로는 진보형 비등수형 원자로 형태로 일본에서 건설되었다. 2016년 8월 5일, 러시아의 노보보로네시 원자력 발전소 II에서 3세대 이상 VVER-1200/392M 원자로가 최초로 가동(최초 계통 연결)되었다.[10][11]

세계 최초의 3세대 원자로인 노보보로네시 원자력 발전소 II

3. 비판 및 반응

우려하는 과학자 연합의 선임 과학자 에드윈 라이먼은 AP1000과 경제성 단순화 비등수형 원자로(ESBWR) 두 3세대 원자로의 특정 비용 절감 설계 선택에 대해 이의를 제기했다.[14] 미국 원자력 규제 위원회(NRC)의 선임 구조 기술자인 존 마, 반핵 컨설턴트 아놀드 건더슨은 AP1000의 강철 격납 용기와 콘크리트 방호 건물의 약점을 지적하며, 항공기 충돌 시 충분한 안전 여유를 갖추지 못했다고 우려했다.[14][15] 그러나 다른 기술자들은 격납 건물이 안전 여유와 안전율 면에서 충분하다고 반박한다.[15][16]

우려하는 과학자 연합은 2008년에 EPR이 미국에서 고려 중인 유일한 신형 원자로 설계로서, "오늘날의 원자로보다 공격에 대해 훨씬 더 안전하고 보안이 강화될 가능성이 있다"고 언급했다.[17]

프랑스 플라망빌 원자력 발전소의 신규 원자로 건설 과정에서 정밀 부품 제조 문제, 비용 초과, 부품 파손, 미세한 강철 공차 문제 등이 발생하며 안전 운전 유지에 대한 우려가 제기되었다.[18]

4. 3세대 원자로 목록

3세대 원자로는 대부분 냉각수로 물을 사용하는 이전의 비등수형, 가압수형 원자로의 개량형이 많으며, 여러 회사에서 다양한 원자로를 설계하고 있다. 원자로의 대형화 및 효율화를 통해 3세대 원자로는 대부분 출력이 강화되었으며, 2세대 원자로 2기 정도의 발전 능력을 가진 것도 존재한다.

최초의 3세대 원자로는 일본에서 건설되었고, 유럽에서도 건설이 인가되었다. 3세대+ 원자로인 웨스팅하우스(도시바 산하)의 AP1000 원자로는 중국 저장성 싼먼 현에서 2013년부터 운전이 계획되었으며[40], 미국에서는 4기의 건설 계획이 인가될 전망이다.[41]

3세대 원자로 목록
원자로 이름개발사 및 형식비고
개량형 비등수형 경수로 (ABWR)제너럴 일렉트릭(GE) 설계. 1996년에 일본에서 처음 도입.
개량형 가압수형 경수로 (APWR)미쓰비시 중공업 개발. 가압수형 경수로의 개량형.
CANDU6 성능 향상형 (EC6)캐나다 원자력 공사 개발. CANDU 원자로의 후기 계통.
VVER-1000/392VVER의 AES91에서 AES92까지 이루어진 다양한 개량형.
AP600영어1998년에 웨스팅하우스사 NRC 최종 설계 인가. 가압수형 경수로. EIA는 "웨스팅하우스사는 더 크지만 잠재적으로 약간 경제적인(단위 발전량당 비용으로) AP1000을 내세우면서 AP600을 판매하지 않았다"고 밝힘.[42] 현재까지 채택되지 않음.
Hualong One/HPR-1000중국 2대 원자로 메이커인 중국광동핵전집단공사(중광핵집단, CGNPC)와 중국핵공업집단공사(중핵집단, SNPTC) 공동 개발.
System80+ (System80의 개량형)컴버션 엔지니어링(Combustion Engineering) 사 설계. 한국에서 개발된 3세대+인 APR-1400의 기술적 기초.[42] 현재까지 채택되지 않음.
Advanced heavy water reactor영어 (AHWR)인도・Bhabha Atomic Research Centre영어(BARC) 개발 중. 토륨 연료를 사용하는 차세대형 원자로.


4. 1. 현재 운전 중이거나 건설 중인 3세대 원자로

US-ABWRBWR1350142039261996년부터 가시와자키에서 운영 중. 1997년 NRC 인증.[17]KEPCOAPR-1400PWR1383145539832016년 1월부터 고리에서 운영 중.CGNPGACPR-1000106111192905CPR-1000의 개선된 버전. 첫 번째 원자로는 2018년 양장-5에서 가동 시작.CGNPG, CNNC화룽 1호 (HPR-1000)109011703050중국의 ACPR-1000 및 ACP-1000 설계를 통합한 것으로, 궁극적으로 이전 CNP-1000 및 CP-1000 설계를 점진적으로 개선한 것.[19] "ACC-1000"으로 명명될 예정이었으나, 최종적으로 "화룽 1호" 또는 "HPR-1000"으로 명명. 팡청강 3–6호기는 HPR-1000 설계를 처음으로 사용할 예정이며, 3 & 4호기는 현재 건설 중.[20]OKBM 아프리카토프(OKBM Afrikantov)VVER-1000/42899010603000AES-91 설계의 첫 번째 버전으로, 2007년에 가동을 시작한 톈완 1 & 2호기에 사용됨.VVER-1000/428M105011263000AES-91 설계의 또 다른 버전으로, 톈완 3 & 4호기에 사용됨 (2017년과 2018년에 각각 가동).VVER-1000/41291710003000처음 건설된 AES-92 설계로, 쿠단쿨람에 사용됨.


4. 2. 아직 채택되지 않았거나 건설되지 않은 3세대 설계

US-APWR;
EU-APWR;
APWR+PWR160017004451쓰루가에 계획된 2기의 원자로는 2011년에 취소됨. 코만치 피크에 계획된 2기의 원자로에 대한 미국 원자력 규제 위원회(NRC)의 허가는 2013년에 중단됨. APWR+는 기존 APWR 및 US-APWR/EU-APWR과 비교했을 때 설계 특성에서 상당한 차이를 보이며, 더 높은 효율과 전기 출력을 가짐.웨스팅하우스AP600PWR6006191999년 NRC 인증.[17] 더 큰 AP1000 설계로 발전.[21]컴버션 엔지니어링System 80+PWR135014001997년 NRC 인증.[17] 한국APR-1400의 기반을 제공.[22]OKBM 아프리카토프VVER-1000/466(B)PWR101110603000이 원자로는 원래 벨레네 원자력 발전소에 건설될 예정이었던 최초의 AES-92 설계였지만, 건설은 나중에 중단됨.캔두 에너지EC6PHWR7502084EC6 (향상된 CANDU 6)는 이전 CANDU 설계의 진화적 업그레이드. 다른 CANDU 설계와 마찬가지로, 농축되지 않은 천연 우라늄을 연료로 사용 가능.AFCR7402084고급 연료 CANDU 원자로는 다양한 잠재적 재처리 연료 혼합물과 심지어 토륨을 처리할 수 있는 극단적인 연료 유연성을 위해 최적화된 수정된 EC6 설계. 현재 SNC-라발린, CNNC, 상하이 전기 간의 합작 사업의 일환으로 후기 단계 개발을 진행 중.여러 (MKER 기사 참조)MKERBWR10002085RBMK 원자력 발전소의 개발. RBMK 원자로의 모든 설계 오류와 결함을 수정하고 완전한 격납 건물과 수동 핵 안전 기능을 추가. 수동 원자로 냉각 시스템과 같은 기능이 있음. MKER-1000의 물리적 프로토타입은 쿠르스크 원자력 발전소의 5호기. 쿠르스크 5호기 건설은 2012년에 취소되었고, 2018년부터 건설이 진행 중인 VVER-TOI가 그 대신 건설되고 있음.[23][24][25]


5. 3세대+ 원자로 목록

3세대+ 원자로는 안전성과 경제성 면에서 3세대를 능가하는 개선형 원자로 설계로, 1990년대에 미국 원자력 규제 위원회(NRC)의 공인을 받았다.[43]

3세대+ 원자로 목록
원자로 명칭설명
개량형 CANDU 원자로(ACR-1000)CANDU 원자로의 개량형. 운전 중 연료봉 교환이 가능하지만, 중수 원자로이기 때문에 삼중수소가 발생한다.
AP1000AP600의 출력을 증강시킨 개량형. 2012년 2월 9일, 미국 조지아 주 보글 원자력 발전소(Vogtle Electric Generating Plant) 3호기 및 4호기 채택이 결정되어 미국 원자력 위원회(NRC)는 원자력 발전소의 건설 및 운영을 34년 만에 인가했다.[44] 같은 모델이 VC 서머 원자력 발전소(Virgil C. Summer Nuclear Generating Station) 2, 3호기에도 채택되었다.
유럽 가압 경수로프라마톰M4와 지멘스 발전 부문의 KONVOI 원자로의 직계 진화형 가압 경수형 원자로[43]
고경제성 단순화 비등수형 원자로(ESBWR)ABWR을 더욱 고도화한 것이다.
APR-1400미국의 System80+를 개량한 개량형 가압 경수로. 한국의 차세대 원자로의 기초가 되고 있다.[45]
VVER-1200/392MAES2006의 설계로 주로 수동적 안전성이 특징이다.
VVER-1200/491AES2006의 설계이며, 동적 안전성에 특징이 있으며, 국제적으로는 MIR1200으로 판매되고 있다.
VVER-1200/510AES2010의 설계이며, WWER-TOI라고도 칭한다. 392M을 기초로 하고 있다.
개량형 유럽형 비등수형 원자로ABWR을 기반으로, 출력을 늘리고 EU의 안전 기준을 충족한다.
B&W mPower|B&W mPower영어밥콕 앤 윌콕스벡텔사가 개발 중인 진화형 경수로. 3세대++로 분류된다.


5. 1. 현재 운전 중이거나 건설 중인 3세대+ 원자로

개발사원자로 이름유형MWe (순)MWe (총)MWth최초 계통 연결비고
웨스팅하우스, 도시바AP1000PWR1117125034002018년 6월 30일 산먼[26][27]NRC 인증 2005년 12월.[17]
SNPTC, 웨스팅하우스CAP1400140015004058AP1000을 기반으로 중국이 공동 개발하고 확대된 "자체" 버전/파생형. 웨스팅하우스의 공동 개발 계약에 따라 중국은 1350 MWe 이상의 모든 공동 개발 발전소에 대한 지적 재산권을 갖는다. 첫 번째 두 대의 원자로는 현재 스다오만에서 건설 중이다. CAP1400은 냉각 시스템을 충분히 확장할 수 있다면 CAP1700 및/또는 CAP2100 설계가 뒤따를 예정이다.
아레바EPR1660175045902018년 6월 29일 타이산[28]
OKB 기드로프레스VVER-1200/392M1114118032002016년 8월 5일 노보보로네시 II[29][30]VVER-1200 시리즈는 AES-2006/MIR-1200 설계로도 알려져 있다. 이 특정 모델은 VVER-TOI 프로젝트에 사용된 최초의 기준 모델이었다.
VVER-1200/4911085119932002018년 3월 9일 레닌그라드 II[31]
VVER-1200/509111412003200아쿠유 원자력 발전소에서 아쿠유 1 & 2호기로 건설 중. 2023년[32] & 2024년에[33] 계통 연결 예정.
VVER-1200/5231080120032002.4 GWe 루푸르 원자력 발전소의 방글라데시가 건설 중이다. 2.4 GWe를 발전하는 VVER-1200/523의 두 개 원자로는 2024년과 2025년에 가동될 예정이다.[34]
VVER-1200/51312003200VVER-1300/510 설계(현재 VVER-TOI 프로젝트의 참조 설계)를 기반으로 하는 VVER-1200의 표준화된 버전.
VVER-1300/510111512553300VVER-1300 설계는 AES-2010 설계로도 알려져 있으며 때로는 VVER-TOI 설계로 오인되기도 한다. VVER-1300/510은 원래 VVER-TOI 프로젝트의 참조 설계로 사용되었던 VVER-1200/392M을 기반으로 하지만, 현재는 VVER-1300/510이 해당 역할을 수행한다(이로 인해 VVER-TOI 플랜트 설계와 VVER-1300/510 원자로 설계 사이에 혼란이 발생함). 여러 대의 원자로가 현재 여러 러시아 원자력 발전소에서 건설될 예정이다. 쿠르스크 원자력 발전소에서 첫 번째 원자로가 건설 중이다.[35][36]
BARCIPHWR-700PHWR63070021662021년 1월 10일 카크라파출력과 추가 안전 기능이 향상된 자체 개발 540MWe PHWR의 후속 모델. 건설 중이며 2020년에 가동될 예정이다. 카크라파 원자력 발전소의 3호기는 2020년 7월 22일에 최초 임계에 도달했다. 3호기는 2021년 1월 10일에 계통에 연결되었다.[37]


5. 2. 아직 채택되지 않았거나 건설되지 않은 3세대+ 설계

개발사원자로 명칭형식MWe (순)MWe (총)MWth비고
도시바EU-ABWRBWR 16004300EU 지침을 충족하고 원자로 출력을 높이며 설계 세대를 III+로 개선하기 위해 설계된 ABWR의 업데이트된 버전.
아레바케레나125012903370이전에는 SWR-1000으로 알려짐. 독일 BWR 설계를 기반으로 하며, 주로 군드레밍겐 B/C호기를 기반으로 함. 아레바E.ON이 공동 개발.
제너럴 일렉트릭, 히타치ESBWR152016004500미출시된 SBWR 설계를 기반으로 하며, 이는 다시 ABWR을 기반으로 함. 노스 안나 3호기에 적용 검토 중. 재순환 펌프를 완전히 사용하지 않고 자연 순환에 전적으로 의존하는 설계를 채택 (이는 비등수형 원자로 설계에서는 매우 이례적임).
KEPCOAPR+PWR150515604290APR-1400의 후속 모델로 출력 증가 및 추가 안전 기능 탑재.
APR-1000100010502850APR-1400의 축소 버전, OPR-1000 설계와 유사한 냉각 시스템. 연료 집합체 수 241개에서 177개로 감소, 추가 안전 기능 탑재.
아레바, 미쓰비시 중공업ATMEA11150 3150제안된 시노프 발전소 건설은 무산됨
OKB 기드로프레스VVER-600/498 6001600기본적으로 축소된 VVER-1200. 2030년까지 콜라에 상업적 배치 계획.
캔두 에너지ACR-1000PHWR108511653200Advanced CANDU Reactor는 중수 감속재를 유지하지만 중수 냉각재를 일반 경수 냉각재로 대체하는 하이브리드 CANDU 설계로, 기존 CANDU 설계에 비해 중수 비용을 크게 절감하지만, 비농축 천연 우라늄을 연료로 사용할 수 있는 특징적인 CANDU 기능을 상실함.
BARCIPWR-900PWR900 2700인도의 첫 번째 경수로로, 아리한트급 잠수함의 CLWR-B1 원자로를 기반으로 한 Gen 3+ 설계.


참조

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[2] 웹사이트 New material promises 120-year reactor lives http://www.world-nuc[...] 2017-06-08
[3] 웹사이트 Advanced Nuclear Power Reactors {{!}} Generation III+ Nuclear Reactors - World Nuclear Association http://www.world-nuc[...] 2017-06-08
[4] 웹사이트 Next-generation nuclear energy: The ESBWR http://www.ans.org/p[...]
[5] 서적 "3 R's of Nuclear Power: Reading, Recycling, and Reprocessing: ...Making a Better Tomorrow for Little Joe" https://books.google[...] AuthorHouse 2009-02-18
[6] 웹사이트 Fuel use for Gen III+ nuclear power https://bravenewclim[...] 2011-10-26
[7] 웹사이트 Gen III reactor design https://www.power-en[...] 2020-08-24
[8] 웹사이트 Core catcher installation under way at Rooppur 1 http://www.world-nuc[...] 2019-06-05
[9] 웹사이트 Russia completes world's first Gen III+ reactor; China to start up five reactors in 2017 https://analysis.nuc[...] 2019-07-10
[10] 간행물 Russian Federation Reactors https://pris.iaea.or[...] PRIS IAEA 2022-10-21
[11] 웹사이트 В России запустили не имеющий аналогов в мире атомный энергоблок https://tass.ru/ekon[...]
[12] 간행물 People's Republic of China reactors https://pris.iaea.or[...] PRIS IAEA 2022-10-21
[13] 웹사이트 Design Certification Applications for New Reactors, update August 2020 https://www.nrc.gov/[...]
[14] 웹사이트 Nuclear energy: Planning for the Black Swan 2011-06-01
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[18] 뉴스 Flaw found in French nuclear reactor - BBC News https://www.bbc.com/[...] 2015-10-29
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[28] 웹사이트 China's Taishan 1 reactor connected to grid - World Nuclear News https://www.world-nu[...]
[29] 뉴스 В России запустили не имеющий аналогов в мире атомный энергоблок http://tass.ru/ekono[...]
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[32] 웹사이트 Akkuyu 1 https://pris.iaea.or[...] International Atomic Energy Agency (IAEA) 2020-09-25
[33] 웹사이트 Akkuyu 2 https://pris.iaea.or[...] IAEA 2020-09-25
[34] 웹사이트 Rooppur Nuclear Power Plant, Ishwardi https://www.power-te[...]
[35] 웹사이트 Bellona's experts oppose building a second nuclear power plant in Russia's Kursk Region https://bellona.org/[...] 2015-05-22
[36] 웹사이트 На Курской АЭС-2 началось сооружение новых блоков http://www.atominfo.[...]
[37] 웹사이트 Unit 3 of Kakrapar nuclear plant synchronised to grid https://www.livemint[...] Live Mint 2021-09-30
[38] 간행물 Next-generation nuclear energy: the ESBWR https://web.archive.[...] アメリカ原子力学会 2022-10-20
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