(Credit: Antares)
최근 소형 모듈형 원자로 (SMR)가 차세대 원자력 기술로 주목받는 가운데 미국의 안타레스 (Antares)는 40년 만에 미국에서 민간이 개발한 최초의 비경수로 원자로를 본격 테스트하기 시작했습니다. 이 회사가 개발한 마크-0 (Mark-0) 시험 원자로는 지난 6월 4일 미국 아이다호 국립 연구소 (Idaho National Laboratory(INL))에서 초기 임계(Initial Criticality)에 도달했습니다.
"초기 임계" 또는 "무출력 연료 임계"는 원자로가 핵 연쇄 반응을 시작하는 데 필요한 최소 출력 수준까지만 가동하는 것으로, 상당한 열에너지를 발생시키거나 능동적인 냉각수 흐름을 필요로 하지 않고 원자로의 전산 물리 모델, 노심 형상, 제어봉 성능 및 초기 중성자 거동을 검증하는 것입니다. 다시 말해 전력 생산 없이 원자로의 안전성을 시험하는 것입니다.
안타레스 원자로의 특징은 HALEU(High-Assay Low-Enriched Uranium, 고농축 저농축 우라늄, 19.75% 농축) 기반 TRISO (Tristructural Isotropic fuel) 입자를 사용한다는 것입니다. TRISO 입자는 핵 연료를 여러 층으로 둘러싸서 만든 씨앗 크기의 연료 입자로 각각의 입자가 핵 연료를 저장하는 용기 역할을 해 섭씨 1600-1800도의 고온에서도 멜트다운을 일으키지 않는 것이 특징입니다.
과거 핵연료봉이 많은 양의 핵연료를 격리 없이 한 번에 다루다가 통제하기 힘든 핵 반응을 일으켜 노심이 녹아내리는 노심용융 (멜트다운)을 일으키는 것을 막기 위한 설계입니다. 안타레스의 TRISO 연료는 우라늄-235를 우라늄 옥시카바이드 형태로 만들어 19.75%까지 농축한 후 탄소와 세라믹 층으로 캡슐화하여 원통형으로 압축한 다음 원자로 노심에 장전합니다.
각각의 원자로는 100kW-1MW 정도의 낮은 용량으로 쉽게 대량 생산이 가능하며 필요할 때마다 추가하거나 교체할 수 있게 개발됐습니다. (사진 참조) 이렇게 만든 연료는 물이 아니라 나트륨을 냉각제로 사용합니다. 나트륨은 끓는 점이 섭씨 833도로 높고 물처럼 급격히 증기로 팽창하지 않기 때문에 고압의 압력 용기가 필요 없어 사고 위험성이 낮습니다.
안타레스의 원자로는 액체 나트륨 열 파이프를 이용한 냉각 방식을 사용합니다. 이 밀폐된 강철 튜브에는 펌프나 움직이는 부품이 없습니다. 원자로에서 발생하는 열이 나트륨을 기화시켜 열교환기로 이동시킨 후, 응축되어 내부의 모세관 구조를 통해 다시 원자로 노심으로 돌아갑니다. 이런 수동 냉각 시스템 덕분에 전력 공급이 완전히 중단되는 상황에서도 원자로를 계속 냉각할 수 있어 멜트다운을 막습니다.
현재 트럼프 행정부에서는 적극적으로 원자력을 밀고 있습니다. 2025년부터 시작된 원자로 시범 프로그램(Reactor Pilot Program)에 따라 제조사들은 초기 기술 검증을 위한 표준 원자력규제위원회(NRC) 상업 허가 경로 대신, 에너지부(DOE)의 독립적인 안전 승인 및 감독 절차를 연방 연구소 부지에서 활용하여 차세대 원자로 개발을 빠르게 진행할 수 있습니다.
다만 경제성이나 안전성 검증처럼 남은 절차도 적지 않습니다. 이런 마이크로 모듈형 원자로는 크기가 작은 대신 규모의 경제라는 측면에서는 불리한 부분도 있습니다. 하지만 1차 목표가 상업 발전보다는 사실 빠른 설치가 필요한 군용 소형 원자로이기 때문에 나름 이런 틈새 시장을 공략하면 가능성은 있어 보입니다.
정권이 바뀌더라도 실제 양산 및 배치가 가능할지 주목됩니다.
참고
https://newatlas.com/energy/antares-modular-next-gen-us-nuclear-reactor-critical/
https://www.energy.gov/articles/department-energy-celebrates-first-advanced-reactor-criticality
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