스크랩 테라파워-진행파원자로//빌 게이츠의 진행파 원자로, 과연 꿈의 기술인가?

[히로봉]

TWR(Traveling wave reactor)

                                                                                                                                         한국과학기술정보연구원

                                                                                                                                           전문연구위원 강창무

1. 서론

원자력으로 발전을 시작한지 50년이 흘렀다. 지구환경 문제로 인하여 모든 에너지 시스템에 대한 재평가가 요구되고 있다. 원자력은 2050년까지 500GWe의 발전용량이 증가 할 것으로 전망되고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 21세기의 과학과 기술을 이용하여 원자력의 지속성과 기반을 획기적으로 개선 할 필요가 있다.

미국의 Intellectual Ventures는 물리학자 Edward Teller가 1990년대에 발표한 "진행파(traveling wave)" 개념의 원자로에 관심을 가지고 그 개발을 지원하고 있다. TWR(Traveling wave reactor) 개념은 아래의 가능성을 제공한다.

- 천연 우라늄과 토륨을 사용하여 수 천년동안 지구에 에너지를 공급 할 수 있다.

- 사용 후 핵연료를 연료로 전환한다.

-농축시설이 필요 없어 원자력 산업구조가 단순하다.

-화석연료에 비하여 저렴한 생산가로 전력을 제공한다.

2. TWR : Traveling Wave Reactor

TWR은 지금까지의 원자로와는 다른 개념의 원자로이다.

- 연료인 핵분열물질(fissile)을 태우고 여기에서 발생한 고속중성자가 핵분열성물질(fertile)로 구성된 영역으로 들어가서 U-238과 Th-232를 핵분열물질로 전환시킨다.

- 생성된 핵분열물질은 핵반응을 일으키며, 여기서 생성된 중성자는 노심의 더 떨어진 영역에 공급된다. 이 과정의 반복은 천천히 진행하는 핵분열의 파동(Wave)을 일으켜서, 노심의 한쪽 끝부분에서 다른 쪽 끝부분으로 천천히 진행한다.

- 따라서 진행파(traveling wave) 원자로라 불린다. 파동이 지나간 자리에는 변환되지 않은 입력연료, 연소되지 않은 핵분열물질, 핵분열생성물의 혼합으로 된 재가 남게 된다.

연료의 기하학적 형태는 증식과 연소의 중성자 효율에 의하여 결정된다. 이 연구에서는 원통형의 축 방향으로 증식-연소의 파동이 전달되는 간단한 대칭 슬래브(slab)을 사용하였다.

- U-238 연료의 TWR : 중성자를 흡수하여 생성된 U-239는 베타 붕괴로 ,Np-239로 변환된다. Np-239은 2.35일의 반감기를 가지며, Pu-239으로 변환된다. 피복, 구조, 냉각제의 배합에 대한 MC모사에서 연소 파동이 확인되었다. 냉각재로 소듐과 헬륨을 사용하였고, Li-6와 붕소를 반응도 제어에 사용하였다.

- Th-232 연료의 TWR : Th-232는 중성자 흡수와 베타 붕괴를 통하여 U-233로 전환된다. MC 모사에서 토륨/U-233시스템은 U-238시스템에 비하여 약한 연소 파동을 보였다. U-233시스템은 U-233시스템은 잉여중성자가 많지 않으며, 따라서 노심의 임계 유지를 위한 Li-6의 양은 U-238에 비하여 10분의 1 수준으로 낮게 나타났다.

TWR의 진행과 연소를 위해서는 고속중성자 스펙트럼이 요구된다. 증식-연소의 파동은 좁은 폭의 파동을 보이며, 중성자속(flux)은 준 Gauss분포를 나타낸다. 연소파동 내의 에너지밀도는 ~500MW/m3의 높은 값이다.

3. TWR 예비설계

2020년에 건설을 목표로 하는 최초의 TWR를 위하여 예비 공학적 연구를 수행하였다. 노심의 높은 에너지 밀도를 고려하여 간단하고 피동적인 안전특성을 가진 풀형(pool type) 소듐 고속로를 선택하였다. TWR의 설계 특성은 아래와 같다.

- 1,000MWe의 출력

- 우라늄 금속연료와 소듐 냉각재

- 풀형 원자로

- 1차 소듐냉각재와 2차 소듐냉각제 사이에 위치하는 콤펙트(compact)구조의 내부 중간열교환기

- 연료 피복제와 노심 구조물재로서 HT-9 혹은 산화물 분산 강화강(ODS : Oxide Dispersion Strengthened) 합금

- 안전 및 출력 제어봉에 탄화붕소 사용

- 30년 이상의 노심 수명

- 노심사고에 지탱 할 수 있는 격납건물

원자로는 프랑스의 고속증식로 Super-Phenix와 유사하나 최신 열교환기 기술을 사용하여 규모가 작다. TWR 시스템은 이미 개발되고 검증된 기술과 경험을 이용 할 수 있으며, 중성자 선량(fluence)의 한계를 극복 할 수 있는 연료 피복재 및 구조재료를 위한 혁신적인 기술개발이 필요하다.

농축된 핵분열물질은 연소점화장치(igniter)에만 사용된다. 비핵분열연료의 대부분이 에너지 생산에 사용되므로 원자력 인프라를 대폭적으로 간소화 할 수 있다. 농축시설, 재처리 시설, 악티나이드(actinide) 소각로, 방사성 물질의 수송 등이 필요 없으므로 핵확산위험성, 안전성, 환경위험성을 현저히 감소시킬 수 있다.

TWR 은 자원이 풍부하고 가격이 저렴한 U-238과 Th-232를 사용한다. 핵연료 주기를 단순화함으로서 화석연료에 비하여 전력생산단가를 낮출 수 있는 가능성이 크다. 또한 TWR 은 사용 후 핵연료를 연료로 사용함으로 별도의 폐기물 처분장에 대한 필요성이 감소된다.

결   론

공학적 연구와 이론적 모사를 한 결과, TWR은 여러 기하학적 배열과 냉각기술을 통하여 운전이 가능한 것으로 나타났다. 단시일 내의 가동을 위해서는 TWR이 높은 에너지밀도를 가지므로 소듐고속로 기술이 적합 할 것으로 판단된다.

U-238 노심을 지나는 연소 파동의 전달은 매우 강하므로 지금까지 알려진 공학적 해법으로도 TWR의 건설이 가능 할 것으로 보인다. 모사연구에서 토륨 금속노심을 통과하는 연소 진행파도 확인되었다.

TWR은 농축시설, 재처리 시설, 악티나이드 소각로, 방사성 물질의 수송 등을 필요 없게 한다. 또한 TWR이 성공하면 원자력의 미해결 문제인 핵확산, 테러, 안전성, 환경 등의 위험성으로부터 인류를 해방시켜줄 것으로 보인다.

< 전문가 제언>

현재 가동 중인 경수로는 천연우라늄 중에서 U-235만을 농축하여 사용하고 나머지는 폐기한다. 최근에는 천연우라늄이나 토륨 및 사용 후 핵연료를 연료로 사용하는 신기술의 개발에 주력하고 있다.

이러한 기술이 개발되면 지구에 풍부하게 매장된 우라늄과 투륨을 사용하여 인류에게 수천년의 에너지를 공급 할 수 있고, 축척되는 방사성 폐기물 문제를 해소 할 수 있다. 현재 개발 중인 이러한 시스템의 한 예로는 고속로 개발이 있다.

본고는 수소폭탄의 창시자로 알려진 Dr. E. Teller가 1990년대에 제안한 TWR(Traveling wave reactor)의 연구에 대하여 기술하고 있다. TWR은 원자로의 신 개념으로서 핵분열성물질(fertile)로 구성된 핵연료 내에서 증식/연소 현상이 한 영역에서 다른 영역으로 파동과 같이 옮아가면서 진행된다. 반응이 지나간 자리에는 타다 남은 연료와 핵분열생성물이 재로 남는다.

TWR은 천연우라늄과 토륨 및 사용 후 핵연료를 연료로 사용하므로 핵연료의 부족과 핵폐기물의 저장문제를 해소 할 수 있다. 또한 핵주기가 간단하여 재처리시설과 핵폐기물 저장시설이 필요 없다. 궁극적으로 TWR은 핵확산, 안정성, 환경의 위험성으로부터 원자력을 자유롭게 할 수 있을 것으로 기대된다.

한국은 U-238의 이용과 사용 후 핵연료의 재활용을 위하여 소듐 고속로와 건식 재처리공정(pyroprocessing)을 개발하여 왔다. 한국원자력연구원은 2030년경에 건설을 목표로 600MWe급 KALIMER 고속로 개발을 추진 중이다. TWR과 같은 새로운 원자로 개념과 개발에도 관심이 필요하다.

위 자료는 한국과학기술연구원에 게재된 자료로서 컴퓨터의 호환성 문제로 복사가 안되었기에 사진으로 찍은 후 본인이 직접 다시 작성하여 올린 자료임을 밝힌다.

출처:http://www.wbctimes.com/sub_read.html?uid=59965

빌 게이츠의 진행파 원자로, 과연 꿈의 기술인가?

기사입력: 2013/04/30 [16:00]  최종편집: ⓒ IPF국제방송

미래경영연구소

2013년 4월, 마이크로소프트 창업자 빌 게이츠는 산업통상자원부 초청으로 방한하여 21일은 서울대 강연을, 22일은 박근혜 대통령 예방과 함께 19대 국회를 방문하고 아부다비로 떠났다. 빌 게이츠 한국 방문은 2008년 이명박 대통령 방문 후 5년 만의 빅 이벤트였다.

이번 방문의 핫 이슈도 2008년의 데자뷰처럼 악수할 때 빌 게이츠 습관이었다. 대한민국 대통령을 예방하는 상황에 감히 그래서 안 된다는 의전 상 관점을 쏟아낸 언론들의 설레발 포화 속에 빌 게이츠의 방한 이유에는 큰 관심이 집중되지도 않았고 딱히 보도된 바도 없었다. 빌 게이츠의 이번 방한은 빌 앤 멀린다 재단 이사장과 테라파워 회장으로서의 직함을 걸고 온 방문이었다.

이 글에서 이야기 해보고자 하는 주제는 테라파워와 그 회사의 핵심 사업인 진행파 원자로(Travelling Wave Reactor)에 관한 것이다.

테라파워의 성격을 요약해보면 1996년 나온 진행파 원자로 원천 특허 포트폴리오로 기술료 수익을 얻고자 하는 사업모델을 갖고 있다 할 수 있다. 견고한 회사 위상을 위하여 미국 내 내셔널 랩을 위시하여 세계 각지의 쟁쟁한 원자력 분야 산학연 단체들과 파트너십을 맺고 있다. 한국 측 파트너는 원자력연구원이며 ‘연료 및 재료 연구’ 부문에 있어 도움을 주고 있다고 홈페이지에 밝히고 있다. 테라파워는 제품을 생산하여 매출을 올리는 제조업체는 아니다. 지적재산권인 특허의 권리를 행사하여 수익을 올리는 사업모델로 익히 알려진 '인텔렉츄얼 벤쳐스'에서 분리되어 나온 회사이다.

이들 사업모델은 업계 일각에서는 ‘특허괴물’이란 표현으로 각하시켜 표현하기도 하나, 이들이 하는 일을 본다면 그렇게 과한 표현도 아닌 듯싶다. 꼭 인텔렉츄얼 벤쳐스가 그런다는 것은 아님을 전제하고 이야기한다면, ‘특허괴물’이란 불명예스러운 타이틀을 가진 업체들은 다양한 분야의 원천성이 있는 특허를 값싸게 매입하여, 그 특허를 침해한 것으로 조사된 전 세계 각지의 기업들에게 특허 소송을 걸어 수익을 올린다. 특허괴물들은 사업 초창기엔 매입 특허로만 특허 포트폴리오를 짜다가, 요즘은 한층 업그레이드되어 부설 연구소나 자회사를 설립하여, 더욱 견고한 특허 포트폴리오를 빈틈없이 짠 후 특허 소송에 임한다. 이런 특허 괴물에게 걸리면 취약한 업체들은 사업을 접어야 할 정도의 후폭풍에 시달리게 된다. ‘난 원자로가 뭔지 잘 몰라’ 하는 독자 제위들도 언론에 자주 오르내리는 삼성-애플의 특허 소송과 마이크로소프트의 안드로이드 진영과 윈도폰 라이센스료가 천문학적 수치임을 떠올린다면 특허괴물 실체에 대해 어느 정도 이해할 수 있을 것이다. 여하 간에 테라파워는 인텔렉츄얼 벤쳐스 보유 특허 중 진행파 원자로 부문을 떼어 내 만든 사업체라는 것이 요지이다.

진행파 원자로를 긍정적으로 보는 측은 당장이라도 시험 원자로만 가동시킬 수 있으면 농축화나 폐연료 재처리 기술도 바이패스할 수 있는 꿈의 기술로 포장하기도 한다. 그러나 다른 측 이야기를 들어 보면 진행파 원자로는 기술적 가능성도 희박하고 문제도 많으며 그들이 보여주는 장밋빛 미래는 ‘사실에 근거하지 않은 비즈니스 언어’에 기반을 두었을 뿐이라 한다. 상용화까지 수많은 난관이 남아 있다고 주장한다. 그것을 빌 게이츠 회장이 TED에 소개하며 촉발시켰다는 것이다. 다시 말해, 지지세력의 주장을 믿고 가기엔 불확실성이 상당한 기술임을 뜻한다. 여기에 더하여 설령 수십 년 후에 상용화되더라도 진행파 원자로 기술에 대한 기술료 문제가 새롭게 대두된다. 국제 언론에 보도된 바에 근거하여 테라파워의 현황을 살펴보면, 사업을 지속하기 위해 Fund Raising이 시급한 상황인 것으로 보인다.

테라파워는 500 MWe 급 진행파 원자로 디자인 기술을 갖고 있고 4세대 원자로를 연구하는 세계적인 산학연과 파트너십을 맺고 활발하게 활동하고 있음을 전면에 내세우고 있지만 가장 중요한 부분이 암초에 부딪혀 있다. 인텔렉츄얼 벤쳐스에 유래한 회사답게 지적재산권 확보를 위한 연구개발에 집중된 반면, 시험 원자로 건설과 운전은 극히 지지부진한 상태이다. 세계 어느 국가도 테라파워의 시험 원자로를 자국 내 영토에서 가동시킬 생각도, 라이센스를 부여할 생각이 없는 것으로 보도되어 있다. 비근한 예로 월스트릿 저널 2011년 2월 27일 자 보도 'A Window Into the Nuclear Future'에 따르면, 프랑스, 일본, 미국, 인도, 중국 중 어느 국가도 잡지 못하고 있었다. 인도는 Reliance 그룹이 에너지 자회사를 통해 '소정의 지분'을 테라파워에 투자하고 있고 (2011년 12월 보도) 중국은 테라파워와 함께 시험용 원자로를 건설한다는 보도가 2011년 12월경에 국제 언론에 보도된 바 있으나, 바로 오보로 확인된 바가 있다. 다시 말해, 진행파 원자로 사업화를 목표로 함에도 불구하고 시험 원자로 사업 파트너가 없다는 것이다.

이제 시험 원자로 건설 능력이 있는 국가 중 유일하게 남은 곳은 대한민국임을 의미하는 것이기도 하다. 이에 대해 테라파워의 가능성을 각하하는 측에서는 시험용 원자로를 건설해 줄 '마루타 지역'을 찾고 있다고 폄훼하기까지 한다. 하지만 이렇게까지 보지 않는다 하더라도 저준위 방사능 폐기물 처리장조차 건설할 여유가 없었던 대한민국에 당장 발전에 투입할 수 있는 상용 원자로가 아닌, 미검증 시험 원자로 건설을 정부 차원에서 개입할 때는 신중하게 접근해야 한다. 시험 원자로는 CDMA 통신 테스트베드와 같은 것이 절대 아니다.

소수의 원자력 전문가들은 진행파 원자로가 한미 원자력 협정을 우회할 수 있는 카드로 주장하기도 한다. 하지만 사용 후 핵연료 재처리 없는 기술이란 일부 평가는 과장된 것이다. 진행파 원자로는 연구 단계의 파이로 프로세싱보다도 상용화 가능성이 희박한 기술로 평가되기 때문에 현재의 카드로 고려하지 않는 것이 현명하다.

민간차원의 진행파 원자로 공동 연구는 장려할 만하지만, 정부 차원에서의 접근은 극히 신중할 필요가 있다. 저준위 방사능폐기물 처리장 건설보다 국민적 혐오감을 불러일으킬 가능성이 큰 게 이런 시험 원자로 건설이다. 한국 입장에서는 인도 Reliance 그룹이 테라파워에 대해 취한 스탠스를 눈여겨 볼 필요가 있다. 진정 가치 있는 기술이 될 법 하다면, 여력 있는 민간 그룹이 테라파워에 지분 참여하여 같이 해보는 것도 하나의 방편이다. 아직, 정부차원에서 접근하기엔 무리한 기술이 아닌가 싶다. 진행파 원자로 기술에 관심이 많은 민간 기업에게 행운을 빈다.

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위 자료와 기사들을 분석해보면 테라파워는 빌 게이츠가 운영하는 회사로서 TWR 기술을 사용하는 차세대 핵발전 개념으로 이해하면 될듯하다.

TWR은 천연우라늄과 토륨 및 사용 후 핵연료를 연료로 사용하므로 핵연료의 부족과 핵폐기물의 저장문제를 해소 할 수 있다. 또한 핵주기가 간단하여 재처리시설과 핵폐기물 저장시설이 필요 없다. 궁극적으로 TWR은 핵확산, 안정성, 환경의 위험성으로부터 원자력을 자유롭게 할 수 있을 것으로 기대된다.

보이는가? '핵확산' 이라는 단어를...

그리고 특허권 획득에 열올리는 테라파워... 정작 기술의 완전은 나중인것 같은데...

이것을 한국에 삼성과 협의하고 갔다는 것이다. 정부기관인 원자력연구원은 공동연구에 합의 했다한다. 삼성에서는 글쎄올시다 라는 반응인데 정부기관이 오히려 더 설레발이다.

저것을 도입했다가는 기술도 완전하지 않으면서 특허권만 가지고 있는 빌 게이츠의 테라파워에 완전히 뒷통수 맞는 격이다.

특허권만 쥐고 있을테니 나머지는 너희가 해라 이런식인 것이다.

테라파워는 500 MWe 급 진행파 원자로 디자인 기술을 갖고 있고 4세대 원자로를 연구하는 세계적인 산학연과 파트너십을 맺고 활발하게 활동하고 있음을 전면에 내세우고 있지만 가장 중요한 부분이 암초에 부딪혀 있다. 인텔렉츄얼 벤쳐스에 유래한 회사답게 지적재산권 확보를 위한 연구개발에 집중된 반면, 시험 원자로 건설과 운전은 극히 지지부진한 상태이다. 세계 어느 국가도 테라파워의 시험 원자로를 자국 내 영토에서 가동시킬 생각도, 라이센스를 부여할 생각이 없는 것으로 보도되어 있다.

더구나 핵확산으로부터 자유롭게 해줄 원자로란다.

미국이 북한과 같은 나라가 또 나올까봐 빌 게이츠를 시켜서 개발한 원자로임을 눈치챌수 있는 부분이다. 우리나라도 이미 핵폐기물이 포화 상태이고 노후원전 문제로 골머리를 앓고 있으나 차세대 원자로 문제는 신중해야 한다고 판단된다.

미국의 저런 노림수에 절대 넘어가서는 안된다.

우리에게는 미국이 제시하는 것 보다는 무엇이 국익에 보탬이 되는지 생각하여야 한다.

필자가 생각하기로는 이제는 핵분열시대보다는 핵융합시대로 나아가야 한다.

북한은 상온핵융합기술을 개발했다고 북한언론을 통해 보도 했다.

과연 그것이 신빙성이 있는지는 모르겠으나 남한도 핵융합 측면에서는 세계를 선도하는 기술 강국이라고 알고있다.

그러나 나는 안다. 안타깝게도 남한은 미국의 식민지국가나 다름이 없다.

미국의 이익에 보탬이 되는 일에 발벗고 나서는 친미매국노 집단들이 괴멸되기 전에는 빌 게이츠가 제시한 테라파워와 협력의 길을 가게 될것이다. 정말 안타까운 일이다.

이 땅에 진정한 애국자는 없다는 말인가!

2013.5.22