4세대 미래 원전 소듐냉각로 개발 ‘가속도’

[에너지경제신문 천근영 기자] 개정된 한미 원자력협정에 따라 파이로프로세싱 연구가 활기를 띠면서 4세대 미래원전의 하나인 소듐냉각로에 대한 관심이 높아지고 있다.

21일 원자력계에 따르면 4세대 원전인 소듐냉각로는 경제성과 안전성을 넘어 환경성과 지속성으로 향하고 있는 상황에서 핵확산저항성까지 갖추고 있어 세계 각국이 2030년대 실용화를 목표로 개발에 박차를 가하고 있다

소듐냉각고속로(SFR, Sodium-cooled Fast Reactor)는 지진, 쓰나미 같은 자연재해나 불시정전 등으로 발전소 내부 및 외부 전력 공급이 완전 중단됐을 경우에도 운전원이 아무런 조치를 취하지 않아도 오로지 냉각재(액체 소듐)와 공기의 자연대류 현상만으로 원자로에 남아있는 잔열을 안정적으로 냉각시킬 수 있는 원전이다.

일본의 후쿠시마 사고처럼 전력상실로 인해 원전 냉각에 실패해서 발생하는 중대사고 가능성을 근본적으로 배제할 수 있다는 것이다. 특히 소듐냉각고속로는 소듐에 의한 원전 부품의 부식과 침식 현상은 발생하지 않는 특성까지 갖고 있는 것으로 알려졌다.

일부에서 소듐과 물의 반응성 때문에 소듐냉각고속로의 안전성을 우려기도 하지만 소듐과 물의 반응이 일어날 수 있는 곳은 오직 증기발생기이며, 증기발생기는 중간열전달 계통에 의해 노심과 완전히 분리되어 있어서 소듐-물 반응에 의한 원자로 사고는 불가능하다는 게 정설이다.

한 원자력 전문가는 "증기발생기 누수에 의한 소듐-물 반응 사고도 원전 기술의 진보와 더불어 거의 해결된 상태"라며 "러시아에서 35년 동안 운전 중인 소듐냉각고속로의 경우 지난 20년간 소듐-물 반응 사고가 전혀 발생하지 않았다는 사실이 이를 방증한다"고 했다.



◇ 중국 러시아 인도 등 소듐냉각로 개발 가속화

경수로 원전만으로는 시대적 상황에 대응할 수 없다는 인식 확산으로 미래 원자력 강국들은 소듐냉각고속로의 상용화를 서두르고 있는 상황이다. 에너지 수요가 폭발적으로 증가할 중국 러시아 인도 등이 대표적이다.

중국은 2020년부터 상용화를 시작해 2050까지 약 200GW, 2100년까지 1400GW의 원전을 소듐냉각고속로로 지을 계획이다. 인도는 2020년 5기의 600MW 소듐냉각고속로 건설을 시작으로 2050년까지 약 350GW이라는 엄청난 소듐냉각고속로 건설을 계획하고 있다. 러시아 역시 2020년대 초에 BN-1200(현재 BN-600)을 시작으로 고속로의 역할을 증대시킨다는 전략이다.

계획 대로라면 인도와 중국에서 2050년까지 550GW, 1000MWe 급 소듐고속로 550개가 건설된다. 2030년대 중반을 넘어서면 전 세계에서 건설되는 대부분의 원자로가 고속로가 될 것이라고 전망이다.

우리나라는 소듐냉각고속로 개발을 통해 현재 국내 원전에 쌓여있는 사용후핵연료를 재순환 처리할 계획이다. 1997년부터 본격적으로 소듐냉각고속로 개발에 착수, 2002년 소형 소듐냉각고속로 KALIMER-150, 2006년엔 중형 소듐냉각고속로 KALIMER-600의 개념설계를 단계적으로 완성한 상태다. 특히 지난 2008년에 수립된 미래 원자력시스템 개발 장기 추진계획에 따라 2028년까지 150MW의 소듐냉각고속로 원형로 건설을 목표로 설계에 들어간 상태다.



◇ 우리나라의 소듐냉각고속도 어디까지 왔나

우리나라에서 개발 중인 소듐냉각고속로 원형로는 일차열 전달계통의 모든 주요기기가 원자로용기 내부에 위치한 풀형 원자로이다. 소듐냉각재는 대기압에서도 끓는점이 약 883도로 원자로를 가압할 필요가 없다. 따라서 일차냉각재 배관 파단에 의한 냉각재상실사고(LOCA) 또는 압력방출에 의한 사고의 가능성이 원천적으로 배제된다.

소듐냉각고속로는 열중성자를 주로 이용하는 국내 경수로 원전과 달리 고속중성자를 이용한다. 이로 인해 소듐냉각고속로는 경수로 사용후핵연료에 포함된 초우라늄원소와 같이 독성이 높고 수명이 긴 핵종들은 고속중성자와 핵반응으로 독성이 낮거나, 수명이 짧은 핵종으로 쉽게 변환될 수 있다.

특히 우리나라가 개발 중인 소듐냉각고속로 원형로는 금속연료를 사용한다. 금속연료는 열전도도가 높아 운전 중 핵연료의 온도가 낮고 산화물연료보다 온도가 증가함에 따라 잘 늘어나 온도가 상승하는 경우도 핵연료의 팽창으로 연쇄반응이 자동적으로 감소하는 원자로 고유의 안전성을 갖고 있다.

또한 금속연료는 소듐냉각재와 화학적으로 반응하지 않기 때문에 핵연료봉이 파손되는 사고에서도 원자로를 냉각하는 경로를 확보하여 원자로를 안전한 상태로 유지할 수 있다. 금속연료를 사용하는 소듐냉각고속로의 고유안전성은 1980년대 중반 미국에서 실시한 실증실험을 통하여 입증된 바 있다.

송기찬 원자력연구원 본부장은 "원자력연구원은 2015년 말 설계인가를 준비하는 사전안전성분석보고서 작성을 완료한 상태로 2017년에 특정설계 인가를 신청해 2020년에 인가를 획득하고 2022년에 건설을 착수할 계획"이라며 "중국 인도 러시아 등에는 10년 정도 뒤지지만 2040년대 중반에 소듐냉각고속로의 상용화를 통해 사용후핵연료를 처리해 최종 처분장의 규모와 관리기간을 대폭 경감하겠다는 것이 목표"라고 했다.