4세대 원자로
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1. 개요
4세대 원자로는 핵 안전성, 폐기물 처리, 핵 확산, 대중 수용성 문제를 해결하며 경쟁력 있는 가격과 안정적인 에너지 공급을 목표로 하는 차세대 원자로 기술이다. 2000년 미국 에너지부 주도로 설립된 4세대 원자로 국제 포럼(GIF)은 2030년까지 상용화를 목표로 대한민국, 미국, 일본, 프랑스, 중국, 러시아 등 주요 국가들이 참여하고 있다. 4세대 원자로는 열중성자 원자로와 고속로로 분류되며, 핵 폐기물 감소, 핵연료 효율 증대, 안전성 향상 등의 장점을 가진다. 하지만 금속 나트륨 냉각재 사용과 같은 과제와 인간의 실수 가능성, 기술적 문제 등의 위험도 존재한다. 대한민국은 소듐 냉각 고속로(SFR)인 칼리머-600 개발을 통해 기술을 확보하고 있으며, 1977년 카터 대통령의 핵확산 방지 정책으로 고속증식로 개발이 주춤했으나, 현재는 지속적인 연구 개발이 진행 중이다.
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2. 4세대 원자로 국제 포럼 (GIF)
제4세대 국제 포럼(Generation IV International Forum, GIF)은 4세대 원자로 기술 개발을 위한 국제 협력 기구이다. GIF는 2000년 미국 에너지부 주도로 설립되었으며, 2030년까지 4세대 원자로 상용화를 목표로 한다.[11][12]
2013년 11월에는 각 포럼 회원국의 원자로 설계 및 활동에 대한 간략한 개요가 제공되었으며,[13][14][15] 2014년 1월에는 향후 10년간의 연구 개발(R&D) 목표를 자세히 설명하는 기술 로드맵 업데이트가 발표되었다.[16] 2019년 5월에는 캐나다의 테레스리얼 에너지가 GIF에 가입한 최초의 민간 기업이 되었다. 2021년 10월 포럼 회의에서는 핵 열의 비전기적 응용(지역 난방, 산업 난방, 담수화, 대규모 수소 생산 등)에 대한 태스크 포스를 창설하기로 합의했다.[17]
2. 1. GIF 회원국
2021년 현재, 4세대 원자로 국제포럼(GIF)에는 대한민국, 미국, 일본, 프랑스, 영국, 중국, 러시아, 캐나다, 스위스, 남아프리카 공화국, 오스트레일리아, 유럽 원자력 공동체(Euratom)가 활동 회원국으로 참여하고 있다.[10] 아르헨티나와 브라질은 비활동 회원국이다.[10]GIF는 2000년 1월 미국 에너지부(DOE)의 원자력 에너지국에 의해 시작되었으며,[11] 2001년에 설립되었다.[12] 초기에는 9개국이 설립 회원국이었으며, 2002년 스위스, 2003년 유럽 원자력 공동체, 2006년 중국과 러시아가 추가로 참여하였다.[61]
2. 2. GIF의 목표 및 활동
GIF는 핵 안전, 폐기물, 핵 확산 및 대중의 인식 문제를 만족스럽게 해결하면서, 경쟁력 있는 가격과 안정적인 에너지 공급을 제공하는 방식으로, 면허를 받고 건설 및 운영될 수 있는 하나 이상의 제4세대 시스템에 대한 개념을 개발하는 것을 목표로 하는 국제 기구이다.[8] GIF는 제4세대(GEN IV) 기술 개발을 조정하며[9], 6가지 유형의 4세대 원자로에 대한 연구를 조정하고, 용어 자체의 범위와 의미를 정의하는 데 중요한 역할을 해왔다.2021년 현재, 활성 회원국은 다음과 같다.
4세대 원자로는 크게 열중성자로와 고속로로 분류된다. 초기에는 다양한 원자로 유형이 고려되었으나, 가장 유망한 기술에 초점을 맞춰 목록이 정제되었다. 열 중성자 원자로와 고속로 각각에 3가지 형식의 원자로가 제안되었다. 초고온 가스로는 수소 생산을 위한 양질의 열 공급원이 될 수 있다는 점 때문에 연구되고 있다. 고속로는 악티노이드를 연소시켜 폐기물을 줄이고, 소비하는 것보다 더 많은 연료를 만들어낼 가능성이 있다. 이러한 시스템은 지속 가능성, 안전성, 경제성, 핵 확산 저항성, 물리적 보호 등의 이점이 있다.[19]
비활성 회원국으로는 아르헨티나와 브라질이 있다.[10]
이 포럼은 2000년 1월 미국 에너지부(DOE)의 원자력 에너지국에 의해 시작되었으며[11], 2030년까지 산업적 배치를 가능하게 하기 위한 협력적인 국제적 노력을 목표로 했다.[12] 2001년에 설립되었다.[12]
2013년 11월에는 각 포럼 회원국의 원자로 설계 및 활동에 대한 간략한 개요가 제공되었다.[13][14][15] 2014년 1월에는 향후 10년간의 연구 개발(R&D) 목표를 자세히 설명하는 기술 로드맵 업데이트가 발표되었다.[16]
2019년 5월, 용융염 원자로 개발업체인 캐나다의 테레스리얼 에너지가 GIF에 가입한 최초의 민간 기업이 되었다.
2021년 10월 포럼 회의에서, 포럼 회원국들은 지역 난방 및 산업 난방, 담수화 및 대규모 수소 생산을 포함한 핵 열의 비전기적 응용에 대한 태스크 포스를 창설하기로 합의했다.[17]
3. 4세대 원자로의 유형
유형 중성자 스펙트럼 냉각재 온도(°C) 핵연료 주기 크기(MW) 개발사 예시 VHTR 열적 헬륨 900–1000 개방형 250–300 JAEA(HTTR), 칭화 대학(HTR-10), 칭화 대학 & 중국핵공업그룹 (HTR-PM),[52] X-energy[53] SFR 고속 나트륨 550 폐쇄형 30–150, 300–1500, 1000–2000 테라파워(나트륨, TWR), 도시바(4S), GE 히타치 원자력(PRISM), OKBM 아프리카토프(BN-1200), 중국핵공업집단공사(CNNC) (CFR-600),[54] 인디라 간디 원자력 연구 센터(프로토타입 고속 증식로) SCWR 열적 또는 고속 물 또는 나트륨 510–625 개방형 또는 폐쇄형 300–700, 1000–1500 VVER-1700/393 (VVER-SCWR 또는 VVER-SKD) GFR 고속 헬륨 850 폐쇄형 1200 에너지 증배 모듈 LFR 고속 납 480–800 폐쇄형 20–180, 300–1200, 600–1000 BREST-OD-300, MYRRHA, SEALER[55] MSR 고속 또는 열적 불화물 또는 염화물 염 700–800 폐쇄형 250–1000 시보그 테크놀로지스, 테라파워, Elysium Industries, Thorizon, Moltex Energy, Flibe Energy (LFTR), 코펜하겐 아토믹스, Thorium Tech Solution (FUJI MSR), Terrestrial Energy (IMSR), 서던 컴퍼니,[53] ThorCon
3. 1. 열중성자로
열 원자로는 중성자 감속재를 사용하여 핵분열에 의해 방출된 중성자의 속도를 늦춰, 연료에 더 잘 포획되도록 하는 원자로이다.
3. 1. 1. 초고온 가스로 (VHTR)
초고온 가스로(VHTR, very high temperature reactor)는 헬륨을 냉각재로, 흑연을 감속재로 사용하는 4세대 원자로이다. 원자로 출구 온도가 950°C에 달할 정도로 높은 열에너지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 다량의 수소와 고효율의 전기를 생산할 수 있다.[20]
VHTR은 방사성 물질 누출 가능성이 낮고 공기로 자연 냉각되며, 원천적으로 폭발이 일어나지 않는다. 발전소를 작게 만들 수 있어 해안가에 대규모로 건설하지 않아도 되므로 쓰나미 등 자연재해로부터 안전하다.
가장 큰 특징은 세라믹으로 둘러싸인 우라늄 입자를 연료로 사용한다는 점이다. 지름 0.5mm인 우라늄을 세라믹으로 3중 코팅해 직경 0.9mm의 '피복입자'를 만든다. 크기가 작을 뿐만 아니라 특수 코팅 처리가 되어 있어 우라늄이 직접 공기 중에 노출될 일이 없다.
VHTR은 피동안전개념을 채택하고 있다. 사고 발생 시 핵연료에서 발생하는 잔열이 원자로 용기(reactor vessel)로 전달되고, 다시 피동안전장치인 원자로공동냉각장치(RCCS)로 전달된다. 이후 가열되어 가벼워진 공기가 상부의 '자연순환 상승관'(굴뚝)을 통해 외부로 배출된다. 가열된 공기가 빠져나간 공간에 외부의 찬 공기가 흡입되고, 다시 가열되어 배출되는 자연 순환 과정이 반복된다. 격납 용기 내부를 공기로 식히기 때문에, 용기가 파손되어도 공기가 원자로를 더 잘 식혀줄 수 있다.
감속재로 사용되는 흑연이 열전도성이 우수하여 원자로에 문제가 생겨 연쇄 반응이 멈추면 남아 있는 열이 원자로 바깥으로 쉽게 전도된다. 외부 전원이나 운전원의 인위적 조작 없이 자동으로 원자로 용기가 냉각되어 방사성 물질 누출을 방지하도록 설계되었다.
VHTR은 고온의 열에너지에 촉매를 더해 물(H2O영어)을 수소(H2영어)와 산소(O2영어)로 분리함으로써 수소의 대량 생산이 가능하다. 950°C 이상의 고온의 열을 바로 전기에너지로 바꾸지 않고 물을 분해하는 데 사용하여 다량의 수소를 경제적으로 생산할 수 있는데, 이 과정에서 기존의 전기분해 방식과 달리 이산화탄소를 배출하지 않고도 생산 단가를 크게 낮추는 장점이 있다.
초고온 가스 냉각로는 흑연 감속재를 사용하고, 헬륨 또는 용융염을 사용하여 우라늄 핵연료를 한 번 사용하는 방식을 채택한다. 이 원자로 설계는 출구 온도를 1,000°C로 예상한다. 원자로 노심은 각주형 블록 또는 펠블 침대 원자로 설계가 가능하다. 고온은 공정 열이나 열화학적 황-요오드 사이클 공정을 통한 수소 생산과 같은 응용 분야를 가능하게 한다.
2016년 1월, X-energy는 원자로 개발을 진전시키기 위해 미국 에너지부로부터 최대 4000만달러의 5년 간의 보조금을 받았다.[21][22][23] Xe-100은 80 MWe를, '4팩'에서는 320 MWe를 생산하는 PBMR이다.[24]
중국 정부는 HTR-10의 후속 모델로 200-MW 고온 펠블 침대 원자로인 HTR-PM을 2021년부터 시범 운영하고 있으며, [25][26] 2023년 12월 6일에는 HTR-PM이 세계 최초로 상업 운전을 시작했다.[57]
3. 1. 2. 용융염 원자로 (MSR)
용융염 원자로(MSR)는 주 냉각재 또는 연료 자체가 용융염 혼합물인 유형의 원자로이다. 고온 및 저압에서 작동한다.[43]
용융염은 열중성자, 중간자 및 고속 원자로에 사용할 수 있다. 2005년 이후 초점은 고속 스펙트럼 MSR (MSFR)에 맞춰져 있다.[27]
다른 설계에는 일체형 용융염 원자로(예: IMSR) 및 용융 염화물 염 고속 원자로(MCSFR)가 있다.
초기 열 스펙트럼 개념과 현재의 많은 개념은 용융 플루오린화 우라늄(UF4) 또는 플루오린화 토륨(ThF4)에 의존하며 용융 플루오린 염에 용해된다. 유체는 그래파이트 중성자 감속재가 있는 코어로 유입되어 임계 상태에 도달한다. 연료는 흑연 매트릭스에 분산될 수 있다. 이러한 설계는 핵분열 사건을 유발하는 중성자의 평균 속도가 더 높기 때문에 열 원자로보다는 중간 중성자 원자로로 더 정확하게 불린다.[28]
MCSFR은 흑연 감속재를 사용하지 않는다. 충분한 양의 염과 핵분열성 물질을 사용하여 임계 상태를 달성한다. 그들은 연료를 훨씬 더 많이 소모하고 단명 폐기물만 남길 수 있다.
대부분의 MSR 설계는 1960년대의 용융염 원자로 실험(MSRE)에서 파생되었다. 변형에는 납을 냉각 매체로 사용하고 용융염 연료(일반적으로 플루토늄(III) 염화물과 같은 금속 염화물)를 사용하여 더 큰 폐쇄형 연료 주기 기능을 지원하는 개념적인 ''이중 유체 원자로''가 포함된다. 다른 주목할만한 접근 방식에는 기존 원자로의 잘 확립된 연료봉에 용융염을 캡슐화하는 안정염 원자로(SSR) 개념이 포함된다. 이 후자 설계는 2015년 컨설팅 회사 Energy Process Development에 의해 가장 경쟁력이 있는 것으로 밝혀졌다.[29][30]
개발 중인 또 다른 설계는 테라파워(TerraPower)의 용융 염화물 고속 원자로이다. 이 개념은 액체 천연 우라늄과 용융 염화물 냉각재를 원자로 코어에서 혼합하여 대기압에서 매우 높은 온도를 달성한다.[31]
MSR의 또 다른 주목할만한 특징은 열 스펙트럼 핵 폐기물 연소로의 가능성이다. 기존에는 고속 스펙트럼 원자로만 소모 또는 감소에 적합한 것으로 간주되었다. 사용후 핵연료. 열 폐기물 연소는 우라늄의 일부를 토륨으로 대체하여 달성되었다. 초우라늄 원소 (예: 플루토늄 및 아메리슘)의 순 생산율은 소비율보다 낮아 방사성 폐기물 저장 문제를 줄이는 동시에 핵 확산 문제와 기술적 문제를 줄인다. 고속 원자로와 관련된 문제들.
3. 1. 3. 초임계수 냉각로 (SCWR)
초임계압 경수 냉각로[58]는 초임계 상태의 경수를 냉각재로 사용하는 원자로이다. 고온, 고압에서 경수로를 운용하는 것을 기반으로 하며, 초임계수를 이용하여 직접 터빈을 돌리는 핵연료 전량 사용형 원자로이다. 비등수형 원자로와 매우 유사하며, 초임계수를 냉각재로 사용한다는 점과 물을 가압한다는 점에서는 가압수형 원자로와 유사하다. 현재의 가압수형 원자로 및 비등수형 원자로보다 높은 온도에서 운용이 가능하다는 장점이 있다.
초임계압 경수 냉각로는 기존 경수로에 비해 열효율이 33%에서 45%로 향상되었으며, 높은 열효율과 시설 간소화로 인해 비용 효과가 뛰어나다는 점에서 유망한 기술로 평가받고 있다. 초임계압 경수 냉각로의 주요 목표는 저렴한 전기를 생산하는 것이다. 또한, 이 원자로는 신뢰성이 높은 두 가지 기술, 즉 세계적으로 가장 많이 개발된 발전용 원자로인 경수로와 초임계압 화석 연료 연소로 기술을 바탕으로 건설된다. 초임계압 경수 냉각로는 현재 12개국의 32개 기관에서 연구되고 있다.
3. 2. 고속로
고속로는 감속재 없이 고속 중성자를 이용하여 핵분열 반응을 일으키는 원자로이다. 경수로에서 사용하고 남은 사용후 핵연료를 재활용하여 우라늄 활용도를 높이고 고준위폐기물 발생량을 줄일 수 있다.[62]
고속로는 핵분열로 발생하는 고속 중성자를 감속 없이 직접 사용한다. 모든 악티늄을 "소모"하거나 핵분열하도록 구성하여, 사용후 핵연료의 악티늄 비율을 대폭 줄여 연료 주기를 닫을 수 있다. 또한, 소비하는 것보다 더 많은 악티늄 연료를 증식할 수도 있다.
고속로는 악티노이드를 연소시켜 폐기물을 줄이고, 소비하는 것보다 더 많은 연료를 만들어낼 수 있다는 장점이 있어, 지속 가능성, 안전성, 경제성, 핵 확산 저항성, 물리적 보호 등의 이점이 있다고 평가된다.
한국의 SFR인 칼리머-600은 미국의 SMFR, JSFR와 함께 2002년 4세대 SFR 참조 노형으로 선정되었으며, 이명박 정부의 녹색 성장 비전의 하나로 제시되기도 하였다.[62]
3. 2. 1. 가스 냉각 고속로 (GFR)
가스 냉각 고속로(GFR)는 고속 중성자 스펙트럼과 폐쇄형 핵연료 주기를 특징으로 하는 원자로이다.[43] 이 원자로는 헬륨을 냉각재로 사용하며, 850°C의 높은 온도로 운전된다. 이는 초고온 가스로(VHTR)를 더욱 지속 가능한 연료 주기 방식으로 전환하는 것을 목표로 한다. 고열 효율을 위해 직접 브레이턴 사이클 가스 터빈을 사용한다. 복합 세라믹 연료, 첨단 연료 입자 또는 세라믹 피복 악티나이드 화합물 등 여러 형태의 연료가 검토되고 있다. 노심 구성은 핀 또는 플레이트 기반 연료 집합체 또는 각기둥형 블록을 포함한다.[58]
유럽 지속 가능한 핵 산업 이니셔티브는 3개의 4세대 원자로 시스템에 자금을 지원했는데, 그 중 가스 냉각 고속로 관련 내용은 다음과 같다.3. 2. 2. 소듐 냉각 고속로 (SFR)
'''소듐 냉각 고속로'''('''SFR''', '''Sodium-cooled Fast Reactor''')는 제4세대 원자력 시스템 중 하나로, 경수로에서 사용하고 남은 사용후 핵연료를 재활용하여 우라늄 활용도를 100배 이상 높이고 고준위폐기물 발생량을 100분의 1로 줄일 수 있는 원자로이다.[62] 액체 나트륨을 냉각재로 사용하며, 고속 중성자를 이용하여 핵분열을 일으킨다.
대한민국은 칼리머-600 개발을 통해 SFR 기술을 확보하고 있다.[62] 이명박 정부의 녹색 성장 비전의 하나로 제시되기도 하였다.
러시아는 BN-600과 BN-800 (순전기출력 880 MWe) 등 상업용 SFR을 운영하고 있으며, 이를 통해 BN-1200 건설에 필요한 운영 경험과 기술적 해결책을 확보하고 있다.[37] 프랑스의 슈퍼피닉스 원자로는 1200 MWe 이상의 출력을 냈지만, 1996년 폐쇄되기 전까지 성공적으로 운영되었다. 인도에서는 고속 증식 실험로 (Fast Breeder Test Reactor, FBTR)가 1985년 10월 임계점에 도달했으며, 2002년 9월에는 연료 연소 효율이 100,000 메가와트-일/톤 우라늄 (MWd/MTU)을 기록했다.[38] 이를 바탕으로 500 MWe 규모의 시제품 고속 증식로가 건설되고 있으며, 2020년 3월 인도 정부는 이 원자로가 2021년 12월에 가동될 수 있다고 보고했다.[38]
4세대 SFR[43]은 산화물 연료를 사용하는 고속 증식로와 금속 연료를 사용하는 일체형 고속로를 기반으로 한다. 이 원자로는 플루토늄을 증식하고 초우라늄 원소를 제거하여 우라늄 사용 효율을 높이는 것을 목표로 한다. 또한, 고속 중성자를 사용하여 모든 초우라늄 동위원소를 소멸시키거나 연료로 사용하도록 설계되었다. SFR 연료는 원자로가 과열되면 팽창하여 자동으로 연쇄 반응을 늦추는 수동적 안전성을 갖추고 있다.[39]
SFR 원자로는 액체 나트륨으로 냉각되고, 우라늄과 플루토늄 또는 사용후 핵연료의 금속 합금을 연료로 사용한다. SFR 연료는 강철 피복재에 담겨 있으며, 액체 나트륨은 연료 집합체를 구성하는 피복재 요소 사이의 공간을 채운다. 나트륨은 물과 접촉하면 폭발적으로 반응하는 위험이 있지만, 액체 금속을 냉각수로 사용하여 시스템을 대기압에서 작동시켜 누출 위험을 줄인다.
유럽 지속가능 핵 산업 이니셔티브는 4세대 원자로 시스템 3개를 지원했으며, 산업 시연을 위한 첨단 나트륨 기술 원자로(ASTRID)는 나트륨 냉각 고속로였지만,[41] 2019년 8월에 취소되었다.[42]
400 MWt 규모의 고속 플럭스 시험 시설은 Hanford에서 10년 동안 운영되었고, 20 MWe 규모의 EBR II는 Idaho National Laboratory에서 30년 이상 운영되었지만 1994년에 폐쇄되었다.
GE 히타치의 PRISM 원자로는 1984년부터 1994년까지 아르곤 국립 연구소에서 개발한 일체형 고속로(IFR)의 현대화된 상업적 구현이다. PRISM의 주요 목적은 새로운 연료를 증식하는 것이 아니라 다른 원자로의 사용후 핵연료를 연소시키는 것이다.
나트륨 냉각 고속로는[58] MOX 연료를 사용한 나트륨 냉각 고속로와 지르코늄을 첨가한 금속 합금 연료를 사용하는 일체형 고속로(IFR)의 두 가지 원자로 건설 설계안에 가깝다.
3. 2. 3. 납 냉각 고속로 (LFR)
납 냉각 고속로(LFR)[43]는 납 또는 LBE)] 냉각재와 폐쇄 핵연료 주기를 특징으로 하는 고속로이다. 제안된 설계에는 긴 재장전 주기를 갖는 50~150 MWe 소형 원자로, 300~400 MWe 모듈형 시스템, 1,200 MWe 대형 모놀리식 발전소가 포함된다. 핵연료는 비옥 우라늄과 초우라늄 원소를 포함하는 금속 또는 질화물 기반이다. 원자로는 550~800 °C의 원자로 출구 냉각재 온도로 자연 대류에 의해 냉각된다. 더 높은 온도는 열화학 사이클에 의한 수소 생산을 가능하게 한다.
유럽 지속가능 핵 산업 이니셔티브는 100 MWt LFR, 가속기 구동 아임계 임계로인 MYRRHA를 지원하고 있다. 이 원자로는 벨기에에 건설될 예정이며, 2036년까지 건설이 완료될 것으로 예상된다. Guinevere라는 감축된 전력 모델이 2009년 3월 몰에서 가동을 시작[33]하여 2012년에 운영에 들어갔다.[44]
개발 중인 다른 두 개의 납 냉각 고속로는 러시아의 OKB Gidropress가 설계한 100 MWe 모듈형 납-비스무스 냉각 고속 중성자 원자로 개념인 SVBR-100과 BREST-OD-300 (납 냉각 고속로) 300 MWe가 있다. BREST-OD-300은 SVBR-100 이후 개발될 예정이며, 핵연료 주변의 비옥 블랭킷을 제거하고 나트륨 냉각 BN-600 원자로 설계를 대체하여 확산 저항성을 강화할 것으로 추정된다.[32] 2020년 5월에 건설 준비 작업이 시작되었다.[45]
4. 4세대 원자로의 장점과 과제
4세대 원자로는 기존 원자로에 비해 여러 장점을 가지지만, 동시에 극복해야 할 과제도 안고 있다.
| 구 분 | 내 용 |
|---|---|
| 장점 | |
| 과제 |
핵 공학자 데이비드 로크바움은 "새로운 원자로와 사고의 문제는 두 가지로, 시뮬레이션으로는 계획할 수 없는 시나리오가 발생하고, 인간이 실수를 저지른다"고 경고한다.[50] 미국의 한 연구소 소장은 "새로운 원자로의 제작, 건설, 운영 및 유지 보수는 가파른 학습 곡선에 직면할 것이며, 첨단 기술은 사고와 실수의 위험을 높일 것이다. 기술은 입증될 수 있지만, 사람은 그렇지 않다"고 말했다.[50]
풀형 EBR-II, Phénix, BN-600 및 BN-800 원자로는 제안된 풀형 4세대 SFR 설계와 유사하며, Fort St. Vrain 발전소 및 HTR-10의 원자로는 제안된 4세대 VHTR 설계와 유사하다.
4. 1. 장점
4세대 원자로는 2~3세대 원자로에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.[59]- 핵 폐기물의 방사능 유지 기간을 수천 년에서 수 세기로 단축한다.[47]
- 동일한 양의 핵연료에서 100~300배 더 많은 에너지를 생산한다.[48]
- 피복되지 않은 원료(비-구형 MSR, LFTR)를 포함한 더 넓은 범위의 연료를 사용할 수 있다.
- 기존 핵 폐기물을 태워 전기를 생산할 수 있는 잠재력을 가지며, 이는 폐쇄형 연료 주기를 가능하게 한다.
- 주변 압력 작동, 자동 수동 원자로 정지, 대체 냉각제와 같은 기능을 통해 안전성이 향상되었다.
GEN IV 포럼은 핵 사고 발생 가능성을 제어해야 한다는 기존 관점에서 벗어나, 사고의 물리적 가능성을 제거하는 방향으로 원자로 안전 패러다임을 재구성하고 있다. 능동 및 수동 안전 시스템은 3세대 시스템만큼 효율적이며, 가장 심각한 사고의 물리적 발생을 불가능하게 만든다.[46]
4. 2. 과제
4세대 원자로는 기존 원자로보다 안전성, 경제성, 핵확산 저항성 등 여러 면에서 개선될 것으로 기대되지만, 아직 해결해야 할 과제가 많다.기술적 난제 해결 및 실증:4세대 원자로는 사고의 물리적 가능성을 제거하는 방향으로 설계되고 있지만, 이를 실제로 구현하기 위한 기술적 난제를 해결해야 한다. 능동 및 수동 안전 시스템은 3세대 시스템만큼 효율적이어야 하며, 가장 심각한 사고의 발생을 물리적으로 불가능하게 만들어야 한다.[46] 여러 개념 증명 설계가 구축되었지만, 상용화를 위해서는 추가적인 연구 개발 및 실증이 필요하다.
일부 4세대 원자로 설계는 냉각재로 금속 나트륨을 사용하는데, 이는 물과 폭발적으로 반응할 수 있다는 위험이 있다. 아르곤을 사용하여 나트륨 산화를 방지하지만, 아르곤은 작업자에게 저산소증 문제를 야기할 수 있다.[49] 납 또는 용융염 냉각제를 사용하면 이러한 문제를 완화할 수 있지만, 납은 나트륨보다 점성이 높고, 밀도가 높으며, 열용량이 낮고, 더 많은 방사성 중성자 활성화 생성물을 가지고 있다.
핵 공학자 데이비드 로크바움은 새로운 원자로와 관련하여 시뮬레이션으로 예측할 수 없는 시나리오와 인간의 실수가 발생할 수 있다고 경고한다.[50] 미국의 한 연구소 소장은 새로운 원자로의 제작, 건설, 운영 및 유지 보수는 가파른 학습 곡선에 직면할 것이며, 첨단 기술은 사고와 실수의 위험을 높일 수 있다고 말했다.[50]
경제성 확보:4세대 원자로가 상용화되기 위해서는 경제성을 확보해야 한다. 새로운 기술 개발과 실증에는 막대한 비용이 소요될 수 있으며, 기존 원자로보다 건설 비용이 더 높을 수 있다.
핵확산 저항성 강화:4세대 원자로는 핵무기 제조에 사용될 수 있는 핵물질 생산을 어렵게 만드는 핵확산 저항성을 강화해야 한다.
국민 수용성 확보:4세대 원자로의 안전성에 대한 국민들의 우려를 해소하고 수용성을 확보해야 한다.
5. 대한민국 4세대 원자로 개발 현황
1977년 지미 카터 대통령은 고속증식로(FBR) 개발 중단 및 우라늄 농축, 재처리 기술 수출 전면 금지를 제안했다. 유럽 경쟁국들은 이를 핵확산 방지라는 명분 아래 원자력 시장 독점을 되찾기 위한 음모라고 비판했다.[62]
경수로는 천연 우라늄의 0.7% 정도인 우라늄-235를 연료로 사용하지만, 고속증식로는 천연 우라늄의 99.3%를 차지하는 우라늄-238을 연료로 사용하므로 우라늄 이용률이 100배 이상 높아진다.[62]
카터는 플루토늄 생산에 따른 위험성을 경고했지만, 전문가들은 고속증식로 개발의 이점이 더 크다고 주장한다.[62]
5. 1. 소듐 냉각 고속로 (SFR) 개발
대한민국은 칼리머-600 개발을 통해 SFR 기술을 확보하고 있다. SFR은 사용후핵연료를 재활용하여 우라늄 활용도를 높이고 고준위폐기물 처분장 크기를 줄일 수 있다. 2002년 칼리머-600은 미국의 SMFR, JSFR와 함께 4세대 SFR 참조 노형으로 선정되었다. 이명박 정부는 녹색 성장 비전의 하나로 SFR 개발을 제시하기도 했다.5. 2. 1977년 카터 쇼크와 그 영향
1977년 지미 카터 대통령은 고속증식로(FBR) 개발 중단 및 우라늄 농축, 재처리 기술 수출 전면 금지를 제안했다. 유럽 경쟁국들은 이를 핵확산 방지라는 명분 아래 원자력 시장 독점을 되찾기 위한 음모라고 비판했다. 유럽 국가들은 원자로, 우라늄 농축, 플루토늄 재처리에서 미국의 독점이 무너지고, 고속증식로 개발에서도 유럽에 뒤지자 모두의 발목을 잡으려는 것이라고 보았다.[62]1977년 워싱턴에서 40개국이 참여한 가운데 INFCE가 결성되었고, 미국은 고속증식로 개발을 중단했다. 그러나 유럽은 개발을 계속했다.[62]
경수로는 천연 우라늄의 0.7% 정도인 우라늄-235를 연료로 사용한다. 그러나 고속증식로는 천연 우라늄의 99.3%를 차지하는 우라늄-238을 연료로 사용한다. 우라늄 238에 고속 중성자를 쏘여 플루토늄-239로 만들고, 이것이 핵분열을 일으켜 발전하는 원리이다. 우라늄 이용률이 100배 이상 높아진다.[62]
그러나 카터는 엄청난 플루토늄이 생산된다며 반대했다. 플루토늄은 유독성이 강할 뿐만 아니라, 100만 킬로와트급 원전을 1년 운영하면 300kg의 플루토늄이 생산되는데, 테러 분자가 4kg만 입수해도 핵폭탄 하나를 만들 수 있다는 것이다.[62]
하지만 전문가들은 실보다 득이 많다며 고속증식로 개발을 계속해야 한다고 주장한다.[62]
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