용융염 원자로란?

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용융염 원자로란?

핵에 대한 설명

Emma Midgley , IAEA 공공 정보 및 커뮤니케이션 사무국

(그림: A. Barber Huescar/IAEA)

용융염 원자로(MSR)는 연료 및/또는 냉각수가 용융염인 핵분열 원자로입니다. 용융염은 고온에서 액화되는 소금이며 대기압에서 엄청난 양의 열에너지를 저장할 수 있습니다.

연료로 사용될 때 용융염은 분열성 물질에 용해됩니다. 분열성 물질은 분열(원자의 핵이 두 개로 분열되어 에너지를 방출하는 반응)이 가능한 물질로 정의됩니다. 이는 핵이 고에너지(빠른) 중성자 또는 저에너지(느린) 중성자에 맞은 후에 발생합니다. 분열성 물질의 예로는 우라늄-235, 플루토늄-239 또는 우라늄-233이 있으며, 우라늄-238과 같은 다른 분열성 물질과 혼합될 수 있습니다.  

핵분열과 에너지 에 대해 자세히 알아보세요  .

MSR의 장점은 무엇인가요?

(인포그래픽: A.Barber Huescar/IAEA)

순제로 목표를 위한 산업 탈탄소화 지원

현재 전 세계 대부분의 원자력 발전소는 가압수형 원자로(PWR)를 사용합니다. 이 원자로에서 물은 냉각수로 사용되며 고압으로 원자로 코어로 펌핑됩니다. 거기에서 물은 핵분열로 방출된 에너지로 가열되어 증기로 방출되고, 이는 터빈을 구동하여 전기를 생산합니다.

그러나 소금을 물 대신 1차 냉각제로 사용하면 대기압에서 엄청난 양의 열을 흡수하여 이 기술을 사용하는 원자로가 매우 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 이를 통해 고급 열을 생산할 수 있어 화석 연료로 수소를 생산할 때 현재 배출되는 대량의 온실 가스(GHG) 없이 녹색 강철을 위한 수소를 생산하는 것과 같은 산업 공정을 탈탄소화할 가능성이 열립니다 .  

MSR에 대한 국제적 관심이 증가하고 있는데, 이는 MSR이 대량의 효율적이고 비용 효율적인 전기를 공급하고 다양한 산업 응용 분야에 사용할 수 있는 고온 공정 열을 생산할 수 있는 잠재력이 있기 때문입니다. 고온 가스 냉각 반응기 (용융염 대신 헬륨 가스를 냉각제로 사용)와 동일한 이점이 있습니다.

깨끗한 에너지 전환의 일환으로 핵이 석탄을 대체할 수 있는 방법을 알아보세요  .

작은 고준위 핵폐기물 발자국

1950년대에 처음 개발된 일부 최근의 MSR 설계는 고체 연료가 필요하지 않아 제조 및 폐기가 필요 없습니다. 액체 연료 기술을 사용하는 MSR은 동력을 공급하는 데 사용되는 연료의 연소 한도가 더 높아 고준위 핵폐기물을 덜 발생시켜 폐기물이 줄어듭니다. 

수동 안전 기능

또한 MSR은 일반적으로 수동적 안전 기능을 갖추고 있습니다. 인간의 개입 없이도 자연적인 물리적 원리를 통해 안전을 강화하는 설계 요소입니다. 예를 들어, MSR의 원자로가 과열되면 액체 염이 팽창하여 원자로 코어에서 중성자가 자연스럽게 누출되어 더 이상 핵분열을 일으킬 수 없게 됩니다. 이는 핵분열 속도와 온도를 낮춥니다. 일부 MSR은 원자로 아래에 특수 배수 탱크가 있습니다. 원자로가 너무 뜨거워지면 고체 염으로 만든 플러그가 녹아 용융 염이 배수 탱크로 흘러 들어가 인간의 개입이나 외부 전원이 필요 없이 반응을 완전히 중단합니다.

지속 가능한 연료주기 옵션

우라늄, 플루토늄, 토륨은 모두 적절한 염 조성에 용해될 수 있으므로 MSR은 잠재적으로 다양한 핵연료 주기(우라늄-플루토늄 및 토륨-우라늄 주기 등)에 적응하여 보다 지속 가능한 연료 주기를 가능하게 할 수 있습니다. 플루토늄을 보다 효과적으로 사용하면 이 연료를 사용하는 현재 경수로에서 발생하는 대부분의 폐기물을 제거할 수 있습니다. 또한 토륨은 우라늄보다 3배 더 풍부하고 채굴하기가 더 쉽습니다.

자세한 내용은 우라늄에 대한 설명을 참조하세요 .

MSR은 어떻게 저탄소 에너지를 생산할까?

현재 개발 중인 MSR은 두 가지 주요 설계에 기반을 두고 있습니다. 첫 번째 설계는 전통적인 고체 연료봉을 사용하며, 물 대신 용융염을 냉각제로 사용합니다. 두 번째 설계는 액체 연료 모델로, 핵분열성 물질(우라늄 또는 토륨)을 용융염 기반 냉각수에 용해합니다. 이러한 액체 연료 설계에서 핵분열 생성물은 용융염에 용해되어 원자로 코어를 순환하여 핵분열을 겪고 열을 생성합니다. 그런 다음 열은 2차 루프로 전달되어 터빈을 구동하여 전기를 생산합니다. 이러한 설계의 변형인 용융 연료염을 밀봉된 금속 튜브에 넣고 2차염을 냉각제로 사용하는 것도 개발 중입니다.

(인포그래픽: A.Barber Huescar/IAEA)

MSR 설계는 상업적 배포와 얼마나 가까운가요?

현재 여러 MSR 설계가 개발 중입니다. 많은 새로운 설계가 1960년대 미국 오크리지 국립연구소의 용융염 원자로 실험에서 개발된 원자로와 유사한 원리를 따르고 있지만, 예를 들어 소금 "동결 플러그"와 같은 새로운 아이디어도 많이 연구, 개발 및 검증되어야 합니다. 여기에는 다양한 연료 주기, 다양한 연료 소금 및 모듈식 설계가 포함됩니다. 이를 통해 시스템과 구성 요소를 공장에서 조립하여 설치 장소로 단위로 운반할 수 있습니다.

캐나다에서는 용융염 기반 소형 모듈형 원자로 (SMR) 개념이 2023년에 중요한 사전 허가 공급업체 설계 검토를 통과했으며, 이는 MSR에 대한 최초의 검토였습니다. 중국, 러시아, 미국을 포함한 다른 프로젝트는 계속 진행되고 있으며, MSR이 2030년대 중반에 배치를 시작할 수 있기를 기대합니다.

자세히 알아보세요: 소형 모듈형 원자로(SMR)란 무엇인가요?

MSR에는 4가지 클래스와 6가지 주요 패밀리가 있습니다. 이 용융염 원자로 기술 상태 보고서 에서 더 자세한 내용을 확인할 수 있습니다 . 

MSR에 대한 과제는 아직 해결되지 않았습니다.

그러나 MSR에 대한 많은 주요 과제가 아직 해결되지 않았습니다. 설계 안전 및 연료 염 수송에 대한 표준이 개발되지 않았으며 MSR 특정 원자로 구성 요소에 대한 공급망이 개발되어야 합니다. MSR에 고유한 잠재적 사고 시나리오에 대한 분석은 일반적으로 잘 알려져 있지 않으며 더 많은 실험과 안전 시연 테스트도 수행되어야 합니다. 연료 염 화학은 연소에 따라 변하고 정상 및 사고 조건에서 방사성 핵종을 유지하는 것에 대해 추가로 연구해야 합니다.

IAEA의 역할은 무엇인가?

• IAEA는 기술 회의, 워크숍 등 다양한 이니셔티브를 통해 MSR 개발과 배치를 지원합니다.
• 2023년 IAEA와 경제협력개발기구(OECD-NEA)의 원자력기구는 비엔나에서 용융염 원자로 기술을 위한 연료주기 화학에 관한 국제 워크숍을 공동으로 개최했습니다. 그리고 용융염 원자로 기술의 상태를 발표했습니다 .
• 2025년 IAEA는 용융염 원자로의 원자로 물리학, 열 유압 장치 및 플랜트 설계에 대한 기술 회의를 실시합니다. IAEA 본부, 오스트리아 비엔나, 2025년 4월 22일~25일.
• 2022년에 설립된 IAEA의  핵 조화 및 표준화 이니셔티브  (NHSI)는 조화로운 규제 접근 방식과 산업 표준화를 통해 MSR을 포함한 첨단 원자로의 배치를 가속화하는 방법을 모색하고 있습니다.
• IAEA는 MSR 기술의 상태에 대한 간행물을 제작합니다.
• IAEA는 또한 현재 개발 중인 모든 첨단 원자로에 대한 기술 데이터와 기타 특성을 포함한 정보를 정리하는 웹 플랫폼인 첨단 원자로 정보 시스템 (ARIS)을 유지 관리합니다.