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2017년 2월 12일 일요일

소형 모듈형 원자로 NuScale - 원자력의 대안 될까?



(A diagram of a NuScale small modular reactor (SMR). Credit: NuScale)


 원자력은 온실 가스를 만들지 않고 안정적으로 전력을 생산할 수 있다는 장점이 있습니다. 특히 우리 나라처럼 에너지 자원을 수입해야 하는 국가에서는 상대적으로 에너지 자원 비용 변화에 민감하지 않게 안정적으로 에너지 생산이 가능하다는 점이 무시할 수 없는 장점입니다. 


 하지만 동시에 사고 발생시 매우 큰 위험을 가지고 있으며 처리가 곤란한 핵폐기물 문제와 수명이 다한 원자로를 폐쇄하는 폐로 작업 역시 적지 않은 비용과 시간을 필요로합니다. 이런 이유로 최근에는 원자력보다는 신재생에너지에 대한 투자가 더 많이 이뤄지고 있으며 일부 유럽 선진국은 원자력 자체를 퇴출하기 위한 국가 프로젝트를 진행 중입니다. 


 아마도 미래 원자력이 살아남는다면 안전성에 대한 우려를 없앨 수 있는 차세대 원자로나 혹은 아예 핵융합처럼 다른 방식을 사용해야 할 것으로 생각됩니다. 대표적으로 기존의 원자로와 원리는 비슷하지만 원자로를 소형 모듈화 (SMRs, small modular reactors) 시킨 원자로와 토륨 원자로처럼 핵연료 자체를 변경한 새로운 형태의 원자로가 연구 중에 있습니다. 오늘 소개할 것은 소형 모듈 원자로의 일종인 누스케일 (NuScale)입니다. 


 누스케일은 2000년대 초 미국 에너지부의 지원을 받아 오리건 주립대학 및 아이다호 국립 연구소 등이 개발한 원자로로 기존의 경수로와 비슷한 원리를 사용하지만, 몇 가지 점에서 더 안전한 원자로 설계라고 할 수 있습니다. 


 이 원자로의 가장 큰 특징은 거대한 밀폐 압력 용기가 아니라 각각의 우라늄 235 4.95% 핵연료가 지름 2.7m 높이 20m 정도의 밀폐 용기에 나눠서 담겨진다는 것입니다. 이렇게 소형 모듈화를 시키면 문제가 생긴 모듈만 수리하거나 제거하면 되므로 원자로 노심 전체가 녹는 멜트 다운의 위험성을 줄일 수 있습니다. 


 각각의 모듈은 50MW 정도의 출력을 낼 수 있으며 지하에 있는 거대 수조 안에 담아서 보존하므로 지진 같은 외부 충격에 강하다고 합니다. 여기에 또 다른 독특한 특징은 원자로 자체에 냉각수를 순환시키기 위한 독립된 펌프가 존재하지 않는다는 것입니다. 


 누스케일은 핵연료에 의해 뜨거워진 1차 냉각제가 물을 끓이면 2차 냉각제 역할을 하는 물이 증발해 이 증기를 이용해서 발전을 하는 방식입니다. 1차 냉각제는 열에 의한 자연 대류 및 전도, 그리고 중력을 이용해서 열을 전달하는데, 초기 버전에서는 물을 사용하는 경수로가 될 예정입니다. 펌프의 도움없이 작동하는 디자인 때문에 원자로 가동을 중단해도 1차 냉각제가 멈추지 않고 작동합니다. 


 이것은 이전 후쿠시마 원전 사고 당시에 냉각제 펌프 작동 이상 등이 멜트 다운의 원인 중 하나가 된 점을 생각할 때 진보된 디자인이라고 할 수 있습니다. 동시에 펌프 등 복잡한 부품이 필요없으므로 고장의 가능성이 크게 줄어들게 됩니다. 쉽게 말해 컴퓨터 쿨러 등에 사용되는 히트 파이프와 비슷한 디자인으로 그 자체로는 고장의 가능성이 거의 없는 부품이라고 할 수 있습니다. 


 모듈형 설계의 또 다른 장점은 비상 냉각입니다. 1차 냉각제는 앞서 설명한 대로지만 만약 사고가 나서 2차 냉각제인 물을 공급하지 못하게 되더라도 모듈을 담아둔 수조가 2차 냉각수의 역할을 할 수 있게 고안되어 있습니다. 


 누스케일의 모듈형 원자로의 설비 단가는 kW당 5,078 달러로 기존의 원자로의 5,945달러와 거의 비슷합니다. 누스케일 디자인은 2013년 에너지부의 자금 지원 프로그램의 승자가 된 이후 2억 2600만 달러의 연방 자금을 5년간 지원받고 있으며 현재 민간 자금도 끌어모으는 중입니다. 따라서 실제 상업 발전까지 도달할 가능성이 상당히 높은 상태입니다. 예상 시기는 2025년 정도입니다. 


 이 새로운 원자로가 2011년 후쿠시마 사고 이후 탈원전 흐름을 막을 수 있을지는 모르겠지만, 여러 가지 이유로 원전을 완전히 포기하기 어려운 나라들에게는 참고할 만한 대안이 될수도 있겠다는 생각입니다. 적어도 원자력을 어쩔 수 없이 사용해야 한다면 더 안전하게 사용할 대안이 있어야 할 것입니다. 


 참고  






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