도시바 4S
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1. 개요
4S는 도시바와 전력중앙연구소가 공동 개발한 소형 고속 중성자 나트륨 원자로이다. 지하 30m 깊이에 설치되며, 10MW(향후 50MW)의 전력을 생산하도록 설계되었다. 4S는 중성자 반사판을 활용하여 임계 상태를 유지하며, 액체 나트륨을 냉각재로 사용한다. 핫토리 사다오가 고안한 연료 교체 불필요한 초소형 안전로를 기반으로 하며, 30년(5만kW는 20년)의 수명을 갖는다. 알래스카 갈레나 원자력 발전소에 제안되었으나 2011년 프로젝트가 중단되었다. 4S는 내진 설계, 비용 절감, 안전성 향상, 송전 손실 감소 등의 장점을 가지지만, 폐기물 생산량 증가에 대한 비판도 있다.
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| 도시바 4S | |
|---|---|
| 도시바 4S 원자로 | |
| 개요 | |
| 원자로 유형 | 고속 중성자 원자로 |
| 설계 전력 | 10 ~ 50 MWth |
| 설계 수명 | 30년 |
| 핵연료 | 금속 연료 |
| 냉각재 | 액체 나트륨 |
| 노심 설계 | 자립 제어 |
| 안전 기능 | 자체 작동 정지 지하 건설 |
| 예상 건설 기간 | 24개월 |
| 개발사 | 도시바 |
| 특징 | |
| 주요 특징 | 소형 모듈 단순화된 시스템 장수명 노심 향상된 안전성 낮은 건설 비용 |
| 안전성 | 지진에 강한 지하 건설 액체 나트륨 냉각 자연 순환 냉각 시스템 피동적 안전 시스템 자체 작동 정지 기능 |
| 경제성 | 공장 제작 모듈 짧은 건설 기간 낮은 운영 비용 높은 가동률 |
| 핵확산 저항성 | 장수명 노심 사용후 핵연료 재처리 불필요 핵물질 도난 방지 설계 |
| 참고 | |
| 관련 정보 | 고속로 액체 금속 냉각로 소형 모듈 원자로 |
2. 일반적인 설명
4S는 고속 중성자 나트륨 원자로이다. 주변에 중성자 반사체 패널을 사용하여 중성자 밀도를 유지한다. 이러한 반사체 패널은 복잡한 제어봉을 대체하면서도 비상시 원자로 정지 기능을 유지한다.[1] 또한, 도시바 4S는 액체 나트륨을 냉각재로 사용하여 물을 사용하는 경우보다 200도 더 높은 온도에서 원자로를 작동시킬 수 있다. 물은 이러한 온도에서 쉽게 끓지만, 나트륨은 액체 상태를 유지하므로 나트륨 냉각재는 매우 높은 온도에서도 원자로 용기에 매우 낮은 압력을 가한다.
동력로·핵연료 개발 사업단이 1996년에 검토한 소형로는 4S로를 기반으로 했지만, 연료는 몬주와 같은 우라늄·플루토늄 MOX 연료였으며 연속 운전 목표는 2년이었다.[10]
4S 원자로는 도시바와 일본 전력중앙연구소(CRIEPI)의 협력으로 개발되었다.[1]
4S 원자로의 기술 사양은 원자력 산업에서 독특하다.[2] 실제 원자로는 지하 30m 깊이의 밀폐된 원통형 금고에 위치하며, 지상 건물은 22m×16m×11m 크기이다. 이 발전소는 10MW의 전력을 제공하도록 설계되었으며, 향후 50MW 버전도 나올 예정이다.[3]
4S는 고속 중성자 나트륨 원자로이다. 주변에 중성자 반사체 패널을 사용하여 중성자 밀도를 유지한다. 이러한 반사체 패널은 복잡한 제어봉을 대체하면서도 비상시 원자로 정지 기능을 유지한다. 또한, 도시바 4S는 액체 나트륨을 냉각재로 사용하여 물을 사용하는 경우보다 200도 더 높은 온도에서 원자로를 작동시킬 수 있다. 물은 이러한 온도에서 쉽게 끓지만, 나트륨은 액체 상태를 유지하므로 나트륨 냉각재는 매우 높은 온도에서도 원자로 용기에 매우 낮은 압력을 가한다.
도시바 4S 핵 배터리는 알래스카 갈레나 원자력 발전소의 전력원으로 제안되었지만, 2011년에 프로젝트가 중단되었고 도시바는 설계 인증 신청을 진행하지 않았다.[4]
핫토리 사다오는 중부전력에서 전력중앙연구소로 파견되어 원자력부장과 이사를 역임했으며, 1986년부터 1993년까지 미국의 아르곤 국립 연구소와 건식 재처리 기술에 대한 공동 연구에 종사했다. 그 과정에서 1988년 연료 교체가 필요없는 초소형 안전로를 고안했는데, 이것이 4S로가 되었다. 도시바의 원자력 부문 기술자들이 구체적으로 설계했으며, 노심의 직경은 약 1미터 이하(5만kW 타입의 경우 높이 4m, 10MW 타입의 경우 높이 1.5m)이다.[6] 소형 원자로는 중성자를 쉽게 누설하는 특징을 역이용한 발상으로, 연료를 장전한 것만으로는 어떤 방법으로도 임계에 도달하지 않는다는 안전성을 갖추고 있다고 한다. 임계시키기 위해서는 연료봉을 따라 링 모양의 '''중성자 반사판'''을 슬라이드하여 누출된 중성자를 반사시켜 연쇄 반응을 유지하도록 설계되어 있으며, 연료는 슬라이드하는 중성자 반사판을 따라 촛불처럼 30년(5만kW는 20년)에 걸쳐 서서히 연소하여 종단까지 반응하고 노의 수명을 다한다는 것이다. 연료 교체라는 개념이 없고, 그만큼 사고율을 낮출 수 있다고 한다. 중성자 반사판을 연료가 없는 부분으로 이동시켜 긴급 정지하는 구조로 되어 있다고 한다.[7]
연료는 미국의 EBR-II에서도 사용된 우라늄·지르코늄(또는 우라늄·플루토늄·지르코늄 합금)[8][6]의 합금인 금속 연료를 사용하고, 냉각재는 액체 나트륨을 사용한다. 고속로에 기대되는 마이너 악티나이드의 연소도 가능하다.[9] 도시바도 개발에 참여했으며, 같은 액체 나트륨을 사용하는 몬주와 다른 점은 냉각재 흐름에 저항이 없다는 점이다. 액체 나트륨의 양도 적고, 고장 시에도 자연 대류에 의한 냉각이 가능하다.[7] 도시바의 설계에서는 냉각재를 순환시키는 펌프도, 가동 부분이 없는 전자기 대류 펌프가 채용된다. 중성자 반사판을 중력에 따라 낙하시키는 것만으로 긴급 정지할 수 있으며, 장전된 핵연료도 소량이기 때문에, 사고 시 안전 기준의 척도가 되는 '''부지 경계 거리'''도 압도적으로 작으며, 계산에 따르면 반경 20m로 되어 있다.[7]
3. 작동 원리
연료봉을 따라 링 모양의 '''중성자 반사판'''을 슬라이드하여 누출된 중성자를 반사시켜 연쇄 반응을 유지하도록 설계되어 있으며, 연료는 슬라이드하는 중성자 반사판을 따라 촛불처럼 30년(5만kW는 20년)에 걸쳐 서서히 연소하여 종단까지 반응하고 노의 수명을 다한다. 연료 교체라는 개념이 없고, 그만큼 사고율을 낮출 수 있다. 중성자 반사판을 연료가 없는 부분으로 퇴피시킴으로써 긴급 정지하는 구조로 되어 있다.[7]
연료는 미국의 EBR-II에서도 사용된 우라늄·지르코늄(또는 우라늄·플루토늄·지르코늄 합금)[8][6]의 합금인 금속 연료를 사용하고, 냉각재는 액체 나트륨을 사용한다. 고속로에 기대되는 마이너 악티나이드의 연소도 가능하다.[9] 도시바도 개발에 참여했으며, 같은 액체 나트륨을 사용하는 몬주와 다른 점은 냉각재 흐름에 저항이 없다는 점이다. 액체 나트륨의 양도 적고, 고장 시에도 자연 대류에 의한 냉각이 기대된다.[7] 도시바의 설계에서는 냉각재를 순환시키는 펌프도, 가동 부분이 없는 전자기 대류 펌프가 채용된다. 중성자 반사판을 중력에 따라 낙하시키는 것만으로 긴급 정지할 수 있으며, 장전된 핵연료도 소량이기 때문에, 사고 시 안전 기준의 척도가 되는 '''부지 경계 거리'''도 압도적으로 작으며, 계산에 따르면 반경 20미터로 되어 있다.[7]
4. 개발 역사
4S 발전소 설계는 도시바와 일본 전력중앙연구소(CRIEPI)의 협력으로 개발되었다.[1]
중부전력에서 전력중앙연구소로 파견되어 원자력부장과 이사를 역임한 핫토리 사다오는 1986년부터 1993년까지 미국의 아르곤 국립 연구소와 건식 재처리 기술에 대한 공동 연구를 진행했다. 이 과정에서 1988년 연료 교체가 필요 없는 초소형 안전로를 고안했는데, 이것이 4S로가 되었다. 도시바의 원자력 부문 기술자들이 설계를 구체화했으며, 노심 직경은 약 1미터 이하이다(5만kW 타입은 높이 4미터, 1만kW 타입은 높이 1.5미터).[6] 소형 원자로는 중성자가 쉽게 누설되는 특징을 역이용, 연료를 장전하는 것만으로는 임계에 도달하지 않는 안전성을 갖추고 있다. 임계를 위해서는 연료봉을 따라 링 모양의 '''중성자 반사판'''을 슬라이드하여 누출된 중성자를 반사시켜 연쇄 반응을 유지하도록 설계되어 있다. 연료는 슬라이드하는 중성자 반사판을 따라 촛불처럼 30년(5만kW는 20년)에 걸쳐 서서히 연소하여 수명을 다한다. 연료 교체 개념이 없어 사고율을 낮출 수 있으며, 중성자 반사판을 연료가 없는 부분으로 이동시켜 긴급 정지하는 구조이다.[7]
4S는 고속 중성자 나트륨 원자로로, 주변에 중성자 반사체 패널을 사용하여 중성자 밀도를 유지한다. 반사체 패널은 복잡한 제어봉을 대체하면서도 비상시 원자로 정지 기능을 유지한다. 액체 나트륨 냉각재를 사용하여 물을 사용하는 경우보다 200도 더 높은 온도에서 원자로를 작동시킬 수 있다. 물은 이 온도에서 쉽게 끓지만, 나트륨은 액체 상태를 유지하므로 나트륨 냉각재는 매우 높은 온도에서도 원자로 용기에 낮은 압력을 가한다.
연료는 미국의 EBR-II에서도 사용된 우라늄·지르코늄(또는 우라늄·플루토늄·지르코늄 합금)[8][6] 합금인 금속 연료를 사용하고, 냉각재는 액체 나트륨을 사용한다. 고속로에서 기대되는 마이너 악티나이드 연소도 가능하다.[9] 도시바도 개발에 참여했으며, 같은 액체 나트륨을 사용하는 몬주와 다른 점은 냉각재 흐름에 저항이 없다는 점이다. 액체 나트륨 양도 적고, 고장 시에도 자연 대류로 냉각이 가능하다.[7] 도시바 설계에서는 냉각재 순환 펌프도 가동 부분이 없는 전자기 대류 펌프가 채용되었다. 중성자 반사판을 중력에 따라 낙하시켜 긴급 정지할 수 있으며, 장전된 핵연료도 소량이어서 사고 시 안전 기준 척도인 '''부지 경계 거리'''도 매우 작아, 계산에 따르면 반경 20미터이다.[7]
동력로·핵연료 개발 사업단이 1996년에 검토한 소형로는 4S로를 기반으로 했지만, 연료는 몬주와 같은 우라늄·플루토늄 MOX 연료였으며 연속 운전 목표는 2년이었다.[10]
1997년 에드워드 텔러의 지시에 따라 캘리포니아 대학교와 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 4S로 구상에 대한 성립성 평가를 실시, 긍정적인 평가를 받았다.
알래스카 주 갈리나 시가 2004년 12월에 4S로 유치를 검토하기 시작한다고 발표했지만[11], 가동은 실현되지 않았다.
4S 원자로의 기술 사양은 원자력 산업에서 독특하다.[2] 실제 원자로는 지하 30m 깊이의 밀폐된 원통형 금고에 위치하며, 지상 건물은 22m×16m×11m 크기이다. 이 발전소는 10MW의 전력을 제공하도록 설계되었으며, 향후 50MW 버전이 제공될 예정이다.[3]
도시바 4S 핵 배터리는 알래스카 갈레나 원자력 발전소의 전력원으로 제안되었지만, 2011년에 프로젝트가 중단되었고 도시바는 설계 인증 신청을 진행하지 않았다.[4]
5. 실현을 위한 노력
1997년 에드워드 텔러의 지시에 따라 캘리포니아 대학교와 로렌스 리버모어 국립 연구소에 의한 팀에서 4S로 구상에 대한 성립성 평가가 실시되어 긍정적인 평가를 받았다.
알래스카 주 갈리나 시가 2004년 12월에 4S로 유치를 검토 시작한다는 발표를 했지만,[11] 가동은 실현되지 않았다.
6. 장점
7. 비판
도시바 4S의 전기출력(50 MWe)은 핵잠수함 원자로 출력과 유사하며, 이는 원자로 크기가 잠수함에 탑재할 정도로 소형임을 의미한다. 열효율 28%를 기준으로, 50MWe의 전기출력은 178 MWt의 열출력에 해당하는데, 이는 일반적인 핵잠수함 원자로의 열출력 범위(60 MWt ~ 220 MWt)에 속한다.
7. 1. 기술적 비판
앨리슨 맥팔레인과 로드니 C. 유잉을 포함한 연구팀은 4S를 포함한 여러 소형 원자로의 폐기물 생산량을 평가하여 그 결과를 ''미국 국립 과학원 회보''에 게재했다. 그들은 소형 모듈 원자로가 기존 원자로보다 더 많은 방사성 폐기물을 생산한다는 것을 발견했다. 이러한 주장은 뉴스케일 파워에 의해 반박되었다.[5]8. 대한민국 내 논의
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참조
[1]
웹사이트
Central Research Institute of Electric Power Industry
http://criepi.denken[...]
[2]
웹사이트
Here Come the Japanese Nuclear Reactors
https://newenergyand[...]
2009-11-05
[3]
웹사이트
Plans for 'small' reactors nudge waste-disposal concerns to fore
http://search.japant[...]
[4]
웹사이트
Why nuclear energy is on hold for Alaska
http://www.newsminer[...]
2011-01-23
[5]
웹사이트
'[UPDATED] Researchers Say SMRs Will Produce More Waste Than Large Nuclear Reactors, NuScale Disputes Claim'
https://www.powermag[...]
2022-06-10
[6]
서적
遺言 私が見た原子力と放射能の真実 服部禎男著
[7]
서적
原子力の未来
日本経済新聞社
1999
[8]
간행물
3510 1万kWe超小型高速炉(4S炉)の受動安全特性(S49-1 安全,材料,原子炉用機器,S49 原子炉システムおよびその要素技術)
https://doi.org/10.1[...]
日本機械学会
[9]
간행물
金属燃料高速炉による核変換
http://www.aesj.or.j[...]
2015-10-09
[10]
서적
原子力の未来
[11]
보고서
我が国の原子力に関する研究開発の状況について
http://www.aec.go.jp[...]
2008-09-24
[12]
서적
原子力の未来
[13]
뉴스
욕조 크기 초소형 원자로?
동아일보
2009-02-06
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