미래에 연료를 공급하다: SMR 및 첨단 원자로를 위한 연료 공급망 구축

[힘힘]

미래에 연료를 공급하다: SMR 및 첨단 원자로를 위한 연료 공급망 구축

루시 애쉬튼

미국 에너지부는 고분석 저농축 우라늄(HALEU) 연료의 국내 생산에 투자했습니다. 오하이오주 파이케톤에 기반을 둔 HALEU 실증 프로그램은 2023년 말까지 20kg의 HALEU를 생산할 것으로 예상된다. (사진: Centrus Energy Corporation)

엔지니어들은 에너지 안보를 개선하고 기후 변화를 완화하는 것을 목표로 차세대 원자력 발전소를 준비하고 있습니다. 소형 모듈형 원자로(SMR)를 포함한 많은 첨단 원자로 설계에는 우라늄-235 함량이 5~20%인 고분석 저농축 우라늄(HALEU) 연료가 필요합니다. 이는 대부분의 원자력 발전소에 전력을 공급하는 5% 수준을 넘어선 것입니다. 운영 중.

IAEA 핵연료주기 및 폐기물 기술부서의 Olena Mykolaichuk 국장은 “HALEU 연료는 더 작은 설계, 더 긴 작동 주기 및 향상된 효율성을 가능하게 할 것입니다.”라고 말했습니다. "그러나 HALEU 연료의 모든 이점을 얻기 위해 일부 국가에서는 충분한 공급이 가능하도록 생산 능력을 늘리고 있으며 이는 SMR 배치에 중요합니다."

 차세대 원자력 기술에는 새로운 종류의 연료에 대한 새로운 공급망이 필요합니다. 심기섭 IAEA 핵연료공학 전문가

HALEU는 러시아 연방과 미국에서 생산되며 주로 연구용 원자로 및 경수로 운영에 사용됩니다. 러시아 시설은 현재 상업적 규모로 HALEU를 제조하는 유일한 시설입니다.

작년에 Euratom Supply Agency는 유럽의 HALEU로 전환되었거나 곧 전환될 연구용 원자로의 향후 연료 공급에 관한 보고서를 작성했습니다. 전통적으로 유럽의 연구용 원자로는 고농축 우라늄을 연료로 사용했습니다. HALEU로 개조된 연구용 원자로는 현재 러시아와 미국으로부터 연료를 공급받고 있는데, 후자는 현재 HALEU 생산 능력이 부족하기 때문에 이 공급을 2035년이나 2040년까지만 보장할 수 있다고 밝히고 있어 공급 부족 위험이 커지고 있다. 미래에 개조될 연구용 원자로.

Euratom Supply Agency는 2035년까지 유럽 연합이 연구용 원자로를 계속 가동하려면 매년 700kg에서 1톤의 HALEU가 필요할 것으로 추정합니다. 이 추정치에는 발전에 사용되는 첨단 원자로의 향후 수요는 포함되지 않습니다. 따라서 Euratom은 향후 공급 안보에 대한 우려로 인해 EU가 HALEU 연료를 생산할 수 있는 자체 역량을 개발할 것을 권장합니다.

유럽에서는 HALEU 생산이 아직 시작되지 않았지만 유럽 대륙 최대의 핵연료 생산업체는 농축 기술 분야의 세계적 리더입니다. Euratom Supply Agency의 보고서에 따르면 이들 생산업체는 현재 우라늄을 최대 6%까지 농축하고 있으며 동일한 기술을 사용하여 큰 기술적 문제 없이 HALEU를 생산할 수 있습니다.

그러나 그러한 시설의 라이센스, 구축, 확보 및 운영에는 상당한 투자가 필요하며 유럽 생산자들은 여전히 ​​해당 투자에 대한 비즈니스 사례를 확인해야 한다고 말합니다. 유럽 ​​기업들은 5년 안에 HALEU 생산을 시작할 수 있으며 기존 프랑스 공장 확장 계획과 더불어 영국과 미국에 새로운 시설 건설도 고려 중입니다.

그럼에도 불구하고 미국 원자력 업계는 HALEU가 부족하여 일부 SMR 설계의 배치가 수년 정도 지연될 수 있다고 경고하고 있습니다. 현재 미국 정부가 자금을 지원하는 첨단 원자로 설계 10개 중 9개는 향후 10년 동안 HALEU 연료가 필요할 것입니다. 미국 에너지부(DOE)의 예측에 따르면 2030년까지 40,000kg 이상의 HALEU가 필요할 것이며, 새로운 첨단 원자로가 가동됨에 따라 그 양은 해마다 증가할 것으로 예상됩니다.

이러한 요구를 해결하기 위해 미국 DOE는 국내 HALEU 생산 라인에 투자하고 있습니다. HALEU 컨소시엄을 설립하고 오하이오주 파이케톤에 시범 생산 공장에 공동 자금을 지원했습니다. 2023년 6월, 미국 규제 당국은 농축 작업을 시작하기 위해 파이케톤 시설을 허가했습니다.

Piketon의 HALEU 원심분리기 캐스케이드는 2023년 말까지 20kg, 2024년에는 900kg의 HALEU를 생산할 것으로 예상됩니다. 120개의 개별 원심분리기 기계로 구성된 본격적인 HALEU 캐스케이드는 연간 약 6000kg의 HALEU를 생산할 수 있습니다.

이를 보완하기 위해 정부 비축량의 고농축 우라늄을 하향 혼합하는 데 사용할 또 다른 유형의 HALEU 연료가 생산되기 시작했습니다. TRISO(삼중 구조 등방성) 입자 연료는 방사성 핵분열 생성물의 방출을 방지하는 탄소 및 세라믹 기반 재료의 3개 층으로 덮인 우라늄, 탄소 및 산소로 구성됩니다. 그런 다음 이러한 입자는 자갈이라고 하는 당구공 크기의 구형 또는 원통형 펠릿으로 모양을 만들 수 있습니다. TRISO-HALEU 연료는 고온 가스 냉각 원자로에 사용되며 일부 공급업체는 SMR 및 마이크로 원자로 설계에 TRISO-HALEU 연료를 사용할 계획입니다.

심기섭 IAEA 핵연료공학 전문가는 “차세대 원자력 기술에는 새로운 종류의 연료에 대한 새로운 공급망이 필요할 것”이라고 말했다. “현재 이러한 공급망을 구축하려는 노력이 진행 중이지만, 필요한 HALEU 연료 공급을 보장하려면 많은 지역에서 이러한 첨단 원자로에 대한 명확한 비즈니스 사례를 입증하는 것을 포함하여 해야 할 일이 훨씬 더 많이 남아 있습니다. 하지만 저는 우리가 그렇게 할 수 있다고 확신합니다.”