자료 : 世界で見直され始めた原子力発電 ―開発が進む新型原子炉の展望―(미쓰이물산전략연구소 / 기술ㆍ혁신 정보부 산업혁신실)

 

세계에서 재검토되는 원자력발전 – 개발 중인 신형 원자로의 전망 -(1편)

https://www.irsglobal.com/bbs_shop/read.htm?me_popup=&auto_frame=&cate_sub_idx=30800&search_first_subject=&list_mode=board&board_code=rwdboard&search_key=&key=&page=&idx=19356

 

2. 신규로의 종류와 특징

 

2-1. 대형 경수로

 

최신 대형 경수로는 기존 방식에 비해 안전성이 매우 높다. 유럽, 미국, 일본에서 2000년대 이후 신규원전 건설이 줄어들긴 했지만, 911 테러 및 후쿠시마 원자력발전소 사고 등으로 인해 각 기업은 설계를 개선했다. 도시바에너지시스템즈의 최신 대형 경수로는 후쿠시마 사고와 같이 노심이 손상을 입을 확률이 구식에 비해 100분의 1 정도라고 말한다.

 

일본에서는 2030년대부터 대형 경수로를 업데이트할 가능성이 크다. 지금까지도 일본의 각 기업은 대형 경수로라는 개념을 전 세계에 발하여 왔지만, 2020년까지 해외에서의 원자력발전 프로젝트로 고전을 겪었기 때문에, 현재는 자국내 업데이트를 수주하는 데 주력하고 있다.

 

해외에서는 (프)EDF 및 (미)Westinghouse를 비롯하여 최근 원자로 수출에 성공한 중국, 한국, 러시아의 기업도 마찬가지로 개발하고 있으며, 당분간은 이러한 기업들이 세계 각지에서 대형 경수로의 신설 및 업데이트를 채용할 것으로 보인다.

 

<그림1> 주요 신형 대형 경수로의 개념도

자료 : https://www.meti.go.jp/shingikai/enecho/denryoku_gas/genshiryoku/kakushinro_wg/pdf/005_03_00.pdf

https://www.global.toshiba/jp/company/energy/topics/nuclearenergy/iBR.html

 

2-2. 제4세대 : 고속로

 

고속로에서는 주로 핵분열 반응에 필요한 중성자를 감속시키지 않는 나트륨 및 용융염과 같은 냉각재를 사용한다. 용융염을 이용하는 고속로는 용융염 고속로라고도 불린다. 가장 큰 장점은 방사성 폐기물을 감소시키고 우라늄 자원을 효과적으로 활용할 수 있다는 점이다. 다만, 나트륨은 공기 및 수분과 화학 반응을 일으켜 발화되기 쉽고, 용융염은 부식성이 높다는 등 냉각재를 취급하는 데 신중해야 한다.

 

빌 게이츠도 출자한 (미)TerraPower의 나트륨 냉각 고속로는, 미국 에너지부(DOE : Department of Energy)로부터 총 12억 달러의 지원을 받아 개발하고 있으며, 2027년까지 실증로를 건설할 계획이다. (미)GE Hitachi가 그 개발을 지원하며, 일본의 고속로 기업이 부품 설계ㆍ제작을 수주할 가능성도 있다.

 

<그림2> TerraPower 나트륨 고속로 ‘Natrium’

자료 : https://natriumpower.com/reactor-technology/

 

2-3. 제4세대 : 용융염로

 

용융염로는 염화 나트륨 및 불화물염 등 상온에서 고체인 염분을 냉각재로 사용한다. 운전 온도가 높아 경수로에 비해 에너지 효율이 높다. 안전성도 이점이며, 후쿠시마 원자력발전소사고와 같이 냉각 기능을 잃어도 원리적으로 멜트다운(Meltdown)될 일이 없다. 또한 용융염이 용기 밖으로 누출되어도 얼어버리기 때문에, 방사성 물질을 가둬둘 수 있다. 과제는 내식성 향상과 점검 방식의 확립이다. 용융염로를 선도하는 TerraPower는 DOE의 지원을 받아 문제를 해결하여, 2030년대에 실증로를 운전할 계획이다.

 

<그림3> TerraPower 용융염 고속로 ‘MCFR’

자료 : https://www.terrapower.com/our-work/molten- chloride-fast-reactor-technology/

 

2-4. 제4세대 : 고온 가스로

 

고온 가스로는 냉각재로 헬륨 등의 가스를 사용한다. 운전 온도는 900℃ 이상으로 높으며, 그 열을 수소를 제조하는 데 이용할 수 있다. 또한 전원을 상실해도 노심이 손상되지 않아 안전성도 높다. 일본에서는 연구로, 중국에서는 실증로가 운전되고 있으며, 미국에서는 X-Energy가 DOE로부터 12억 달러의 지원을 받아 2020년대에 운전을 시작할 계획이다.

 

한편 플랜트 재료에는 고가의 합금이 사용되며, 원리적으로 같은 출력의 경수로에 비해 로와 건물이 크기 때문에 건설비와 발전 단가가 올라간다는 결점이 있다. 그러므로 도시바에너지 시스템즈와 같이 발전용보다는 수소 제조 및 철강 등의 산업계에 대한 열 공급을 통해 탈탄소화에 공헌하려 하는 기업도 많다.

 

<그림4> 고온 가스로의 열을 이용하는 수소 제조 시스템

자료 : https://www.meti.go.jp/shingikai/enecho/denryoku_gas/ genshiryoku/kakushinro_wg/pdf/001_08_00.pdf

 

2-5. SMR(Small Modular Reactor)

 

원자력발전의 발전 단가는 건설비에 큰 영향을 받는다. 대형로는 테러 대책 및 후쿠시마 원자력발전소 사고 후 설계 항목이 추가된 것에 더하여, 특히 유럽과 미국에서는 현장 공사 단가가 상승하여 건설비가 폭등하였다. 대형로는 수송상의 제한 때문에 현장에서 부품을 용접하는 작업이 필요한데, SMR은 공장에서 원자로 주변의 부품을 최대한 조합하여 모듈화한 후 현장으로 보내기 때문에, 현장 공사를 줄이고 건설비용을 낮출 수 있다.

 

SMR에서는 현재 (미) NuScale의 가압수형 경수로 및 히타치GE뉴클리어에너지가 공동으로 개발하는 GE Hitachi의 비등수형 경수로 계획이 각각 미국과 캐나다에서 선행되고 있으며, 2029년경에 운전을 시작할 예정이다. 또한 SMR은 선박에 탑재할 수 있는 크기이기 때문에 해상 발전소 및 선박용을 개발하는 기업도 적지 않다.

 

<그림5> 주요 SMR의 개념도

자료 : https://www.meti.go.jp/shingikai/enecho/denryoku_gas/genshiryoku/kakushinro_wg/pdf/002_06_00.pdf

자료 : https://www.hitachi-hgne.co.jp/activities/advanced_reactor/index.html

 

3. 원자력발전의 과제와 향후 전망

 

경수로는 신설ㆍ업그레이드 수요가 증가할 것으로 보이는 한편, 제4세대 원자로에는 상용 실적이 없다는 결점이 있다. 지금까지 원자로를 운용해온 전력 사업자에게는 경수로 이외의 상용로에 대한 경험이 없다. 전력 사업자가 제4세대로를 도입하려면 확실한 장점과 운전 실적이 있어야 한다. 또한 기존형ㆍ신형을 불문하고 원자로는 많든 적든 방사성 폐기물이 발생하기 때문에, 일본을 비롯하여 각국에서 처분장을 선정해야 한다는 문제도 있다.

 

제4세대로는 법규ㆍ규제 측면에서의 정비도 이루어져야 한다. 기존의 경수로에 대해서는 각국의 원자력 규제 당국의 심사 프로세스가 확립되어 있다. 제4세대 원자로 중에는 나트륨 고속로의 심사 프로세스는 어느 정도 책정된 상황이지만, 기존 경수로의 시스템 및 구조와 달라질수록 확립되지 않은 상황이다. 따라서 제4세대 원자로의 상용로 건설에 대한 승인을 얻는 데 시간이 걸리고, 스케줄이 지연될 우려가 있다. 하지만 2030년경부터 시작되는 실증로의 운용이 성공하고, 경수로에 대한 우위성이 입증되면 제4세대로가 활용될 것이며, 나중에는 발전에 그치지 않고 수소 제조 및 산업에서의 열 이용과 같은 분야로도 확장될 가능성이 있다.

 

원자력발전은 2010년대에는 911 미국 테러 및 후쿠시마 원자력발전소 사고, 유럽/미국에서의 건설비용 증가로 인해 좋지 않은 인상이 세계적으로 확산되었지만, 앞으로는 유망한 탈탄소 전원으로서 설비 투자가 증가할 것으로 판단된다. 원자로뿐만 아니라 플랜트 관련 기기 및 원자력발전에 관한 서비스의 수요도 증가할 것으로 기대된다.

 

현재는 최신 대형 경수로가 주류를 이루고 있지만, 북미ㆍ유럽에서는 상용 소형 경수로를 건설할 계획이다. 미래에는 제4세대 원자로도 원자력발전의 한 축을 담당하게 될 가능성이 있으므로, 앞으로의 개발 동향을 주목해야 할 것으로 보인다.