핵분열 101  

핵분열은 중성자가 원자핵에 충돌하여 원자가 분열될 때 발생한다. 이것은 엄청난 양의 에너지와 추가 중성자를 방출하여 더 많은 원자를 쪼개어 자체 유지 핵분열 반응을 일으킬 수 있다.

원자로는 핵분열 과정을 제어하여 열로 방출된 에너지가 물을 끓이고 전기 생산 터빈을 회전시킬 수 있는 증기를 생성하는 데 사용할 수 있다.

이 과정은 탄소 배출을 생성하지 않으며 태양이 빛나든 바람이 불든 상관없이 발생할 수 있으므로 원자력 에너지는 잠재적으로 청정 에너지 미래를 위한 중요한 요소가 된다.

그러나 오늘날 원자력은 세계 발전량의 10.3%에 불과하며 폐쇄된 원자로의 수가 건설 중인 원자로의 수를 초과하고 있다.

그 이유 중 일부는 우리가 이미 가지고 있는 것과 같은 새로운 원자력 발전소를 건설하는 데 약 7년과 100억 달러가 소요되며 일부 운영자는 특히 천연 가스 및 재생에너지가 저렴해지고 있다.

동시에, 역사적으로 원자력 에너지가 석탄이나 천연 가스보다 훨씬 안전함에도 불구하고 많은 잠재적 건설이 체르노비나 후키시마와 같은 원자력 재해의 가능성에 대해 우려하는 대중의 반발에 직면해 있다.

용융염 반응기

핵분열에 의해 생성되는 전기의 양을 늘리기 위해 우리는 그것을 어떻게 활용하는지 재고해야 할 수도 있다.

오늘날 대부분의 원자력 발전소에서 물은 고압으로 원자로 노심으로 펌핑되어 금속 막대에 싸인 연료 펠릿이 분열한다. 이것은 물을 약 600F로 가열하지만 높은 압력은 물이 끓는 것을 방지한다.

그런 다음 초고온 액체 물이 더 많은 물을 포함하는 챔버를 지나 펌핑된다. 그 열로 인해 물이 끓어 터빈을 회전시키는 데 필요한 증기가 생성된다. 그런 다음 더 차가운 물은 다시 연료 챔버로 흘러들어가 재가열되어 사이클이 계속될 수 있다.

초고온수를 액체로 유지하는 데 필요한 높은 압력은 누출 가능성을 높이고, 물이 누출되면 연료가 과열되어 봉쇄봉이 녹고 잠재적으로 방사성 물질이 물과 환경으로 방출될 수 있다.

이를 방지하기 위해 원자로는 많은 백업 시스템과 이중화가 필요하며, 이는 비용과 복잡성을 더욱 증가시킨다.

하지만 이 디자인이 유일한 옵션은 아니다.

1950년대에 미국 연구원들은 용융염, 즉 상온에서는 고체이지만 고온에서는 액체인 염을 재료로 사용하여 열을 전달하고 연료를 안정적인 온도로 유지하는 물질로 사용하는 용융염 원자로의 개념을 탐구하기 시작했다.

이 원자로에 제안된 염의 유형은 2,500F의 높은 온도에서 어떠한 압력도 없이 액체 상태를 유지한다. 더 높은 온도는 원자로의 효율성을 높이고 더 많은 전기를 생성하는 반면, 압력이 없으면 누출 위험을 줄일 수 있다.

열을 운반하는 물과 분리된 고체 연료봉 대신에 일부 용융염 원자로 설계에서는 연료가 용융염 자체에 용해되어야 한다.

이렇게 하면 연료가 이미 액체 상태인 경우 연료가 녹을 수 없는 멜트다운의 위험이 제거되며 누출이 있는 경우 누출된 염분과 연료가 냉각되면서 암석으로 빠르게 응고될 것이다. 이것은 가압경수로가 누출될 경우 방출되는 방사성 물이나 증기보다 청소하기가 더 쉽다.

용융염 원자로 설계에는 "동결 밸브" 또는 "동결 플러그"라는 안전 기능도 포함된다. 이 플러그는 위의 용융염 혼합물을 아래의 저장 탱크와 분리한다. 혼합물이 너무 뜨거워지면 밸브가 녹고 용융된 소금이 중력에 의해 탱크로 떨어지므로 모든 백업 시스템이 고장나더라도 재난을 막을 수 있다.

고체(왼쪽) 및 용융(오른쪽) 염의 예. 이미지: 오크 릿지 국립 연구소

용융염 원자로를 건설하는 데 드는 비용은 확실하지 않지만 분석가들은 설계에 부품이 더 적기 때문에 표준 경수로보다 건설 비용이 저렴할 것으로 예상한다.

원자로는 또한 더 안정적일 수 있다. 오늘날의 원자로는 일반적으로 재급유를 위해 18-24개월마다 오프라인 상태가 되어야 하지만, 용융염에 용해된 사용후핵연료는 잠재적으로 처리되고 원자로가 작동하는 동안 새로운 연료가 추가될 수 있다.

그러나 용융염 원자로의 가능성은 아직 실현되지 않았다.

Oak Ridge National Laboratory의 연구원들은 1965년에 자체 핵분열이 가능한 최초의 개념 증명 용융염 원자로인 용융염 원자로 실험(MSRE)을 건설했다.

그러나 다음 4년 동안 주로 다양한 구성 요소와 관련된 기술적 문제로 인해 예기치 않게 167번 폐쇄되었으며 1969년에는 영구적으로 폐쇄되었다.

이러한 기술적 문제가 발생하지 않았다면 원자로가 용융염을 사용하는 또 다른 문제를 얼마나 오래 견딜 수 있었을지는 아직 확실하지 않다.

에너지 및 자원 전문가 M.V.는 “오늘날에도 용융염 원자로 내부의 고방사선, 고온, 부식성 환경에서는 어떤 물질도 만족스럽게 작동할 수 없다”고 말했다. 라마나는 2022년 6월 원자 과학자 회보에 기고했다.

새로운 시대

MSRE 폐쇄 이후 아무도 용융염 원자로를 가동하지 않았지만 기후 변화로 인해 더 많은 청정 에너지에 대한 필요성이 악화되면서 이제 설계에 대한 새로운 관심이 급증하고 있다.

빌 게이츠의 내기

2022년 2월 빌 게이츠(Bill Gates)가 설립한 원자력 에너지 회사인 TerraPower와 가스 및 전력 회사인 Southern Company는 DOE가 자금을 지원하는 용융 염화물로 실험(MCRE)을 아이다호 국립 연구소에 건설하기 위해 파트너십을 체결했다고 발표했다.

완료되면 MCRE는 세계 최초의 중요한 고속 스펙트럼 염 원자로가 될 것이다. 고속 원자로는 감속재를 사용하지 않고 핵분열을 지속할 수 있어 핵분열 과정에서 방출되는 중성자를 느리게 하여 효율을 높일 수 있다.

테스트 원자로의 데이터는 TerraPower의 Molten Chloride Fast Reactor의 개발을 알릴 것이다. 회사는 2030년대 초에 약 90,000가구에 전력을 공급할 수 있는 해당 시스템의 180메가와트 데모를 구축할 것으로 예상한다.

중국의 토륨 원자로

2022년 8월, 중국은 상하이 응용 물리학 연구소(SINAP)의 연구원들에게 우라늄과 훨씬 더 풍부한 원소인 토륨의 혼합물로 연료를 공급하는 실험용 용융염 원자로를 가동할 수 있도록 허가했다.        

원자로 전문가인 Sylvain David는 2021년 12월 FRANCE 24와의 인터뷰에서 "현재로서는 모든 가동 중인 원자로에 연료를 공급할 수 있는 충분한 우라늄이 있다. 그러나 원자로의 수가 증가하면 공급이 더 이상 따라가지 못하는 상황에 도달할 수 있고, 토륨을 사용하면 우라늄의 필요성을 크게 줄일 수 있다.”

SINAP의 용융염 원자로는 약 1,000가구에 충분한 전기를 생산할 수 있도록 설계되었지만 테스트가 순조롭게 진행된다면 중국은 수십만 가구에 전력을 공급할 수 있는 더 큰 버전을 건설할 준비가 되어 있다.

SINAP의 용융염 원자로의 모습. 이미지: SINAP

마이크로 반응기

2022년 10월, 브리검 영 대학교의 연구원들은 1,000개의 미국 가정에 전기를 공급할 수 있을 만큼 강력하고 40피트 트럭 침대에 들어갈 만큼 충분히 작은 용융염 원자로 설계를 발표했다.

그 작은 크기는 아마도 표준 원자로 발전소보다 훨씬 저렴하고 건설이 간단할 것이며 원격 지역에 원자력을 더 쉽게 가져올 수 있지만 현재 원자로 중 하나를 건설할 계획은 없다.

BYU의 연구원인 Matthew Memmott는 Register에 자신의 팀이 소금에서 물과 산소를 제거하여 소금을 덜 부식되게 만드는 방법도 개발했다고 말했다. 그들은 이미 유타의 San Rafael Energy Research Center와 협력하여 소형이든 대형이든 용융염 원자로 운영자를 위한 소금 정제 센터를 건설했다.

그의 연구실에서 일하는 BYU 연구원 Matthew Memmott. 이미지: Brooklyn Jarvis Kelson / BYU 사진

전망

이들은 용융염 원자로를 자세히 살펴보고 있는 많은 그룹 중 일부에 불과하지만, 설계 중 하나 이상이 구축되더라도 부식 문제를 극복할 수 있었는지 한동안 알 수 없다. 오랫동안 기술을 보류했다.

피사 대학의 원자로 기술 전문가인 프란체스코 다우리암은 FRANCE 24와의 인터뷰에서 “부식성 제품의 문제는 5년에서 10년이 지나야 그 피해를 깨닫지 못한다는 것이다.

그러나 오늘날의 연구원들이 부식을 견디고 MSRE가 겪는 기술적 문제를 극복하는 용융염 원자로를 구축할 수 있다면 이 장치는 핵분열에 의해 생성되는 전기의 양을 증가시키고 청정 에너지 미래에 더 가까이 다가갈 수 있다.