사용후 핵연료 안전관리 `최적` 차세대 원자로

고준위방사성폐기물 획기적 절감 가능
정전 인한 냉각능력 상실때도 안전 유지

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■ 미래 원자력시스템 ‘원전 안전’ 지킨다
(3)소듐냉각고속로(SFR)


소듐냉각고속로(SFR)는 제4세대 원자로 노형 중 가장 개발이 앞서 있으며, 실현 가능성이 높은 것으로 평가받고 있다. 감속재 없이 고온의 액체 소듐을 냉각재로만 사용해 높은 에너지의 고속 중성자를 이용한 핵분열 연쇄반응을 일으켜 이 때 발생하는 열을 액체 소듐에 전달, 증기를 생산하고 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 고속로다.

특히 소듐냉각고속로는 원자력발전을 하는 모든 나라의 공통 이슈인 `사용후 핵연료'에 남아 있는 고준위방사성폐기물을 획기적으로 줄일 수 있고, 열전도도가 매우 좋고 액체 소듐을 냉각재로 사용해 열효율이 뛰어나고 안전성 측면에서도 매우 유리한 차세대 원자로다. 이를 입증하듯 제4세대 원자력국제포럼(GIF)에서 6개 후보 노형을 대상으로 실시한 4대 혁신기술과 개발비용을 평가한 결과, 소듐냉각고속로는 전 부분에서 고루 우수한 평가를 받았다.

무엇보다 소듐냉각고속로는 우리나라에서 가장 많은 기술축적이 이뤄진 분야라는 점에서 국내 사용후 핵연료의 안전관리 및 우라늄 이용 극대화를 위한 최적의 대안으로 주목받고 있다.

◇피동냉각계통 통해 고유 안전성 확보=소듐냉각고속로는 능동형 기기를 완전 배제하고 자연대류 현상을 이용하는 피동잔열제거계통(PDRC,Passive Decay-heat Removal Circuit)을 채택해 고유 안전성을 갖추고 있다. 피동잔열제거계통은 한국원자력연구원이 독자적으로 개발한 설계 개념으로, 설계기준 사고 발생 시 안전등급 비상발전기 및 운전원의 조작이 필요하지 않은 독창적인 모델이다. 이 설계 개념은 경쟁국인 일본의 JSFR, 프랑스의 SPX, 유럽연합의 EFR에서 사용하는 DRC(Direct Reactor Cooling) 개념과 다르게 신뢰성을 한층 높인 피동 안전개념으로 평가받고 있다.

이러한 특성 때문에 자연재해나 발전소 내ㆍ외부의 예측할 수 없는 환경변화에 의해 발전소가 정전돼 정상적인 열제거 기능이 상실되는 사고가 발생해도 운전원이 아무런 조치를 취하지 않아도 오로지 자연현상만으로 원자로 냉각기능을 수행할 수 있다. 피동잔열제거계통은 원자로 용기 내부에 설치돼 있으며, 액체 소듐 및 공기의 자연순환을 각각 이용해 노심에서 발생하는 잔열을 소듐-소듐 열교환기와 소듐-공기 열교환기를 통해 대기로 방출함으로써, 원자로를 안정적으로 냉각하는 방식으로 작동된다.

현재 원자력연은 피동잔열제거계통의 성능 검증 및 종합효과시험 수행을 위한 소듐 열유체 종합효과시험시설(STELLA)을 구축하고 있다. 1단계로 피동잔열제거계통의 주요 열교환기기의 성능검증을, 안전등급 잔열제거계통의 종합성능 검증을 위한 2단계 시설구축은 오는 2016년 완료할 계획이다.

◇지진ㆍ해일ㆍ정전을 대비한 완벽설계=소듐냉각고속로는 원자로 건물에 대한 면진설계를 적용해 지진규모 6.9까지 원자로가 정상적으로 작동하고, 9.0까지 안전하게 피동잔열제거계통이 작동하도록 설계됐다. 건물 면진장치는 지진 발생 시 원자로 건물 및 핵연료건물 등 주요 건물에 전달되는 지진에너지를 흡수해 지진충격의 7분의1 이하로 차단해 줌으로써 강한 지진 발생에도 견고함을 갖추고 있다.

특히 해일과 정전 등에 따른 냉각능력을 상실한 경우에도 안전성을 유지한다. 원자로 냉각을 위해 필요한 소듐기기와 비상전원 등의 안전 관련 기기들을 해수면보다 15m 이상 높은 곳에 설치해 해일에 의한 침수가 발생하지 않도록 하는 등 자연재해로 인한 안전성을 한층 높였다. 또한 터빈에서 나오는 증기를 응축하기 위해 사용하는 냉각용 해수펌프를 방수벽 내에 설치해 침수되지 않도록 했으며, 피동잔열제거계통(PDRC) 등의 공기-소듐 열교환기도 높은 위치에 설치해 침수될 경우 냉각기능 상실을 대비하고 있다.

◇소듐화재 및 소듐-물반응 대비=고온의 소듐은 물이나 공기와 반응해 화재가 발생하는데, 소듐냉각고속로는 소듐이 물이나 공기와 접촉할 수 없도록 이중 원자로용기, 이중벽 전열관(튜브) 증기발생기, 이중배관을 적용해 설계했다. 원자로용기는 외부에 철제 보호용기를 추가적으로 설치해 원자로 내부용기가 파손되는 사고가 발생해도 소듐이 원자로 용기 외부로 누출되는 것을 차단하고, 방사능 누출을 근본적으로 막는다. 이중벽 전열관 증기발생기는 증기발생기 전열관이 파손돼 누출된 소듐이 물과 접촉할 수 있는 가능성을 차단하기 위해 이중벽으로 설계 제작해 실용화 연구를 진행하고 있다.

이중배관은 소듐배관을 이중으로 제작해 내부 배관의 손상으로 누출된 소듐이 외부 공기와 접촉하는 것을 막고, 외부 배관 손상 시에도 내부 배관의 건전성을 유지시켜 소듐 누출을 차단해 준다.

이와 함께 소듐에 나노입자를 투입해 나노입자와 결합한 소듐분자의 소듐 활성도를 떨어뜨려 물과 반응하지 않아 소듐-물 반응을 억제할 수 있는 연구결과를 토대로 관련 기술을 상용화하기 위한 연구개발을 수행하고 있다.

한국원자력연구원 고속로기술개발부 김영일 부장은 "우리가 독자 개념으로 설계한 소듐냉각고속로는 자연순환에 의한 원자로 냉각과 지진을 막아주는 면진장치, 수소폭발이 없는 원자로 기능을 통해 안전성을 획기적으로 높였다"면서 "이러한 안전성 확보와 함께 사용후 핵연료 재순환을 통해 우라늄 자원이 이용률을 높이고 장수명, 고독성의 사용후 핵연료 방사성물질을 없앨 수 있는 소듐냉각고속로는 제4세대 원자로로 가장 주목받고 있다"고 말했다.

대전=이준기기자 bongchu@

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