원자력 개발 세대에 따른 분류 ( 2편마지막 )

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2021. 6. 27.

Superphénix 프랑스의 슈퍼 피닉스 고속증식로

 

제 4 세대 원자로 (GEN-IV)
제 4 세대 원자로는 현재 연구중인 이론적인 원자로의 설계 기준이다. 제 4 세대 원자로 가운데 차세대 원자력 원자로라고하는 초고온 가스로 (VHTR)를 제외하고 대부분은 일반적으로 2030 년 까지의 상업적 이용은 불가능하다고 생각할 수있다. 초고온 가스로는 2021 년 에 완공 될 예정이다. 현재 전 세계적으로 운용되고 있는 원자로는 일반적으로 제 2 세대 에서 3 세대 원자로이며, 모든 제 1 세대 원자로는 폐로 되었다. 제 4 세대 원자로의 연구는 8 개의 기술적 목표를 바탕으로 공식적으로 제 4 세대 국제 포럼 (GIF)에서 시작되었다. 주요 목표는 높은 안전성, 핵 확산 저항성 폐기물과 천연 자원 이용의 최소화 원자로의 건설 운영 비용의 절감이다. 고속로 증식로 등의 기술은 원자력의 군사 이용도 관련이 있지만, 일반적으로 이러한 원자로는 원자력 발전소에 사용될 예정이다.

 

GenIVRoadmap 각 세대를 나눈 그림. 제 4 세대는 2030 년경부터 기술되어있다.



원자로 형식
초기에는 다양한 형식의 원자로가 생각되었지만, 유망한 기술과 4 세대의 선 구성에 적합한 특징을 가진 기술로 좁혀졌다. 열 중성자로와 고속로 각각 3 가지 형태의 원자로가 제안되고다. 초고온 가스로는 수소 생산을 위한 질 높은 열 공급원이 될 수 있다고 연구되고있다. 고속로는 악티늄 족을 연소시켜 폐기물을 줄이고 소비하는 것보다 많은 연료를 생성 할 수있다. 이러한 시스템은 지속 가능성, 안전성, 경제성, 핵 확산에 대한 저항성, 물리적 보호 등의 장점을 들 수있다.

Nuclear_fission. 중성자 를 흡수 한 우라늄 235 가 크립톤 92 와 바륨 141에 핵분열 한 그림.



열 중성자로
원자력 공학의 열 중성자 원자로 ( 영어 : thermal-neutron reactor )는 주로 열 중성자 에 의해 핵분열 연쇄 반응을 유지하는 원자로 를 말한다. 물 ( 경수 · 중수 ) 또는 흑연 등의 감속재 를 필요로한다.

Very_High_Temperature_Reactor. 초고온 가스로 (VHTR)

 


고온 가스로 (Very-High-Temperature Reactor, VHTR)
초고온 가스로는 노심 흑연을 감속재로하는 우라늄 연료 소진 형 원자로 안에서는 냉각재는 헬륨 과 용융 염이 사용된다. 이 원자로의 설계는 출구 부근에 1000도 가까운 고온이 예상되고있다. 노심은 프리즘 블록계나 페블 베드 계 ( 영어;  Pebble-bed reactor ) 중 하나의 디자인이다. 발생하는 고온 열원으로 사용할 수 있으며 유황 요오드 순환 ( Sulfur–iodine cycle )의 열화학 수소 제조 ( thermochemical cycle )에 응용하는 것이 가능하다. 또한 수동적 안전을 도입하고있다.

 

Supercritical-Water-Cooled_Reactor. 초임 계수 냉각 원자로 (SCWR)

 

초 임계 압 경수 냉각로 (Supercritical-water-cooled reactor, SCWR) 
초 임계압 경수 냉각로는 초 임계상태의 경수를 유체 냉각재로 사용하는 방안이다. 초 임계압 경수 냉각로는 고온 , 고압 하의 경수로의 운용이 기본이되고, 초임계수로 직접 터빈을 돌리는 연료 소진 형 원자로이다. 이 형식은 비등 수형 원자로에 매우 유사하며, 초임계수를 냉각재로 사용하고, 물을 가압 점에서 가압수형 원자로에 비슷하다고 할 수있다. 그리고 현재의 가압수형 원자로와 비등수형 원자로보다 높은 온도에서의 운용이 가능하다.

초 임계압 경수 냉각로는 전망이 높은 기술이다. 기존의 경수로에 비해 열효율이 33 %에서 45 %로 오르고있어 높은 열효율 과 상당한 시설의 단순화를 통해 비용 효과가 뛰어난 혁신적인 원자로로 되어있다. 초 임계 압 경수 냉각로의 주요 계획은 저가의 전기 를 생성하는 것이다. 또한 초 임계압 경수 냉각로는 두가지의 신뢰할 수있는 기술의 아래에 건설된다. 경수로는 세계에서 가장 일반적으로 개발되어온 전력 발생용 원자로이며, 초 임계압 화석 연료 연소로도 세계적으로 많이 이용되고있다. 초 임계 압 경수 냉각로는 12 개국의 32 개 조직에 의해 연구되고있다.

첫 번째 초고온 가스로 건설 계획에는 남아공의 PBMR (페블 베드 모듈 형 원자로)가 존재했지만 2010 년 2 월에 정부가 재정 지원이 중단되었다. 현저한 비용 증가로 발생할 수있는 예기 할 수없는 기술적인 문제에 대한 우려에서 잠재적인 투자자와 고객을 못했다다고 생각된다.

Molten_Salt_Reactor. 용융 염 원자로 (MSR)

 

용융염 원자로 (Molten-salt reactor, MSR)
용융염 원자로는 냉각재에 용융염을 사용하는 원자로의 설계 방안이다. 이 형식의 원자로에 대한 전진적인 많은 디자인이 출시되고 있으며, 일부 원형로가 건설되고있다.  초기 구상과 이전의 많은 예에서 핵연료를 용융 불화 소금으로 4불화 우라늄( UF 4 )을 녹여 이 액체가 감속체로서 기능한 흑연으로 만든 노심에 들어가 임계에 도달한다. 많은 현재의 구상은 용융소금이 제공하는 저압 고온 냉각과 함께 흑연 기반으로 분산된 연소에 의존하고있다.



고속로
고속로 ( Fast Reactor : FR)는 고속 중성자에 의한 핵분열 에너지의 발생원이되고있는 원자로이다. 고속 중성자로 (Fast Neutron Reactor : FNR)라고도 불린다. 고속 중성자에 의한 핵분열 연쇄 반응을 이용하여 우라늄 238에서 플루토늄 239를 생산하는 증식로 는 고속 증식로 한다.

2030 년대 이후의 실용화가 구상되고있는 제 4 세대 원자로의 노 모양으로 꼽힌다. 마이너 액티 나이드 연소 및 방사성 폐기물의 처분 량 감소 우라늄의 활용 등의 장점을 가지고 있으며 21 세기 중반부터 후반에 걸쳐 현행 경수로형 원자력 발전소를 대체 할 것으로 기대되고있다. 대체가 완료된 후에는 약 2000 년에 걸쳐 우라늄 자원의 걱정이 필요 없게된다고한다.

제 4 세대 원자로의 원자로 형으로들 수있는 것은, 나트륨 냉각 고속로, 납 냉각 고속로 , 가스 냉각 고속로가 있으며, 초 임계 압 경수 냉각로도 고속로로 구성 할 생각 있다.

고속 증식로 ( Fast Breeder Reactor, FBR )는 고속 중성자에 의한 핵분열 연쇄 반응을 이용한 증식를 말한다. 간단하게 말하면, "증식로"와 소비 핵연료 보다 새롭게 생성하는 핵연료가 더 많아지는 원자로이며, "고속"의 중성자를 이용하여 플루토늄을 증식하기 때문에 고속 증식로 한다. 고속 중성자를 이용하면서 핵연료의 증식을 하지않는 원자의 형식은 단순히 고속로 (Fast Reactor : FR)로 불린다.

 

Gas-Cooled_Fast_Reactor_Schemata. 가스 냉각 고속로 (GFR)



가스 냉각 고속로 (Gas-cooled fast reactor, GFR) 
가스 냉각 고속로의 방식은 고부화도 우라늄의 효율적인 전환 및 악티늄 족 ( 영어 : Actinoid ) 운용을 위한 고속 중성자 스펙트럼과 닫힌 연료주기가 특징이다. 이 원자로는 헬륨 냉각이고, 출구 온도가 850도에 직접적으로 높은 열효율의 부레이톤 사이클 ( 영어 : Brayton cycle ) 가스 터빈을 이용하고있다. 연료 구성은 초고온에서의 운영 가능성 및 핵분열 생성물의 우수한 성능을 확보하도록 생각하고 있다. 혼합 세라믹 연료 개량형 연료 입자 혹은 세라믹 코팅 악티니드 혼합 원소 등이 연료로 생산된다. 노심 형상은 핀 형식과 판 형상의 연료 집합체 또는 프리즘 형 블록이 있을 수있다.

Sodium-Cooled_Fast_Reactor_Schemata. 나트륨 냉각 고속로 (SFR)

 

나트륨 냉각 고속로 (Sodium-cooled fast reactor, SFR)
소듐 냉각 고속 원자로 액체 금속 고속 증식로 와 일체형 고속로 (IFR)의 두개에 가까운 관계의 원자로 건설의 설계안이다.
목표는 증식 한 플루토늄에 의해 우라늄 사용의 효율성을 증가시키고, 초 우라늄 동위 원소가 발전소에서 떠날 필요없는 것이다. 이 원자로 설계는 고속 중성자로 구동되는 무 감속의 노심이 사용되고, 초 우라늄 동위 원소를 소멸 혹은 연료로 하는 것이 가능하도록 설계되어 있다. 이외에 폐기 사이클에서 길이 반감기의 초 우라늄 원소를 제거하는데 사용할 수 있으며 노심이 과열 했을 때 원자로의 연료가 팽창하여 연쇄 반응은 자동으로 감속한다. 이 특징에서 수동적 안전을 얻고있는 것으로 알려졌다. 일체형 고속로는 연료 사이클에 특징인 원자로를 위해 설계되어있다. 이 원자로의 원형으로 건설되고 있지만, 그러나 같은 용광로를 다른 곳에도 건설하기 전에 계획 중지가되어있다.

소듐 냉각 고속 원자로의 방안에서는 액체 나트륨에 의해 원자로가 식힌 우라늄 과 플루토늄의 금속 합금이 공급 연료가된다. 연료는 액체 나트륨이 용광로속에있는 철강 피복관 속에 존재하고 이러한 모임이 연료 집합체를 만들고있다. 설계 과제는 나트륨 운용의 위험에서 나트륨은 물에 닿으면 폭발 반응을 일으키는 특징을 가진다. 그러나 많은 원자로 냉각제인 물 대신 기체가 되는 온도가 높은 액체 금속 나트륨을 이용하여 냉각수의 순환 시스템을 대기압 하에서 실행하는 것을 허용하고, 냉각액 누설의 위험을 감소시키고는 있다.

Lead-Cooled_Fast_Reactor_Schemata. 납 냉각 고속로 (LFR)

 

납 냉각 고속로 (Lead-cooled fast reactor, LFR) 
납 냉각 고속로는 고속 중성자 스펙트럼의 납과 납 비스무트 합금에 의한 액체 금속 ( 영어 : Liquid metal ) 냉각에 의한 폐쇄 연료 사이클이 특징인 반응기다. 선택에는 몇 개 공장 평가의 범위가 존재하고 50 ~ 150MW를 발전하는 긴 연료 교환 간격을 가지는 전지 방식 300 ~ 400MW의 발전이 예상된다. 보통 형, 1200MW가 발전되는 대형 일체식 플랜트 등이 존재한다. 전지 방식의 용어는 긴 수명으로 공장에서 생산되는 노심은 전기 화학적 에너지 전환이 이루어지고있는 것은 아니다.

연료는 금속 또는 고부화도 우라늄과 초 우라늄 원소를 포함하는 질화물이다. 납 냉각 고속로는 자연 대류에 의해 냉각되어 원자로 출구의 냉각 온도는 550도이고, 개량 된 소재에 따라 800도까지의 범위가 가능하다. 고온에 의한 열화학 수소 제조를 가능하게하고 있다.

또한 가속기 구동 미 임계로 ( 영어 : accelerator-driven subcritical reactor , ADS)는 납 비스무트 합금을 냉각재 겸 핵 파쇄 ( 영어 : nuclear spallation reaction ) 대상으로 사용이 검토되고있다.

 

Nuclear engineer David Lochbaum



장점과 단점 
현재 원자력 시스템 기술에 비해 4 세대 원자로에 주장되는 이익은 핵 폐기물의 필요 보관 기간, 천년 단위에서 수십 년 단위로 대폭 단축 가능하다. 같은 양의 핵연료에 100-300 배 이상의 에너지를 생산한다. 기존의 핵 폐기물의 에너지 생산 중의 소비 능력과 향상된 운용 안전성 등을들 수있다.

단점의 하나로서 모든 신형 원자로 기술은 초창기의 원자로 운영자의 경험이 적은 경우 위험성이 더 큰 것이다. 원자력 공학자 데이비드 호크 바움 ( Nuclear engineer David Lochbaum )은 거의 모든 종류의 핵 사고는 당시의 첨단 기술에서 일어나고 있다고 설명하고있다. 그는 "새로운 원자로와 사고의 문제는 2 배이다. 예측 실험 계획 할 수 없는 줄거리가 생기는 것과 인간의 실수이다"라고 주장한다. 미국 연구소의 지도자는 "새로운 원자로의 제작 , 건축 , 운영 , 유지는 험난한 학습곡선에 직면하게 될 것이다 선진 기술은 사고와 실수의 위험을 높인다. 기술은 아마 입증되었지만 인간은 증명되지 않았다. "고 말했다.

참여하는 국가


GIF 설립 9 개국에 2002 년에 스위스 가 더해져, 유럽 원자력 공동체 가 2003 년에 가입했다. 2006 년에는 중국 과 러시아 가 참가하고있다.

 

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