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비상시 전원 나가도 자연 순환으로 무한 냉각되는 원자로


2030년 이후 상용화를 목표로 세계 13개국이 참여하고 있는 ‘제4대 원자력시스템 국제 포럼(GIF)’의 주된 연구 목적은 지속가능성과 핵비확산성, 경제성 그리고 안전성이다.

소듐냉각고속로(SFR)는 4가지 항목을 고루 충족시키며 실현 가능성이 가장 높은 모델 중 하나다. 파이로프로세싱으로 핵확산저항성을 가진 사용후핵연료를 재활용하는 SFR의 안전 설계상 특징은 크게 두 가지로 꼽을 수 있다. 자연 순환 냉각시스템과 이중배관 및 이중벽이 그것이다.








△SFR 피동잔열제거계통 구조도. 원자력연 제공

 


● 비상시 별다른 조치 없이 자연 순환 냉각


SFR는 냉각제로 액체 금속인 소듐(나트륨)을 쓴다. 소듐은 녹는점이 98도로 낮고 끓는점은 883도로 매우 높다. 노심 온도가 약 540도인 SFR 내부에서 대기압과 같은 1기압에서도 끓지 않아 고압으로 인한 폭발 위험이 적다.

원자로 내부에는 노심의 열로 뜨거워진 소듐과 노심 바깥쪽의 차가운 소듐이 펌프로 인해 1차적으로 순환된다. 그러나 전원이 들어오지 않아도 노심 안쪽 뜨거운 소듐을 식힐 수 있다. 자연적인 대류 현상으로 냉각시키는 ‘피동잔열제거계통(PDRC)’이 있기 때문이다. 원자력연이 자체 개발한 PDRC는 소듐-소듐 열교환기(DHX), 소듐-공기 열교환기(AHX), 두 열교환기를 연결하는 배관으로 구성돼 있다.

노심의 뜨거운 소듐에 의해 데워진 DHX의 소듐은 배관을 타고 위로 올라가 AHX로 전달된다. AHX에서는 차가운 공기가 지나가며 배관 속 소듐을 식힌다. 차가워진 소듐은 다시 배관을 타고 DHX로 돌아가 노심 속 소듐을 식힌다. 전력 없이 소듐의 온도 차이만으로 무한 순환하는 냉각 장치이다.

원자로용기 바깥에는 격납건물 안으로 들어온 찬 공기가 원자로용기의 열을 빼앗아 배출되는 공기의 자연 순환 냉각 시스템이 있다. 전원 없이도 격납건물 내부를 식힐 수 있게 설계돼 있는 것이다. 한국원자력연구원 고속로기술개발부 김영일 부장은 “안전성을 최우선으로 두고 설계해 별다른 조치 없이 냉각제인 소듐과 공기만으로 노심과 원자로를 냉각한다”며 “현재 국내 원전의 72시간 자연 순환 냉각장치보다 강력한 안전 설계”라고 설명했다.








△격납건물 내부로 찬공기가 들어와 원자로 용기를 냉각시킨다. 원자력연 제공

 

 


● 소듐 냉각재의 단점 이중벽·이중관으로 극복
소듐은 끓는점이 높고 열전달을 잘해 원자로 소형화가 가능한 냉각재다. 액체 금속이지만 무게가 물과 비슷해 납이나 납합금 등 다른 고속로 냉각재에 비해 다루기 쉽다. 반면 소듐은 물을 만나면 폭발하는 단점이 있다. 김 부장은 “소듐의 단점을 극복하기 위해 닫힌 ‘소듐중간계통’이 따로 있어 증기발생기의 물을 가열한다”며 “소듐과 물이 직접 만나지 않도록 설계한다”고 밝혔다.

노심의 뜨거운 소듐이 독립된 배관 속 소듐을 가열하고 이 소듐중간계통이 증기발생기의 물을 가열해 발전하는 원리다. 소듐이 지나가는 모든 배관과 벽은 이중으로 돼 있어 소듐 누출을 봉쇄했다. 또 원자로 용기 밖에 철제 격납용기가 있어 격납 건물 내부 원자로 자체도 이중으로 설계됐다. 김 부장은 “가열된 소듐이 산소와 접촉하면 화재가 발생할 수 있기 때문에 원자로 용기도 이중으로 설계한다”면서 “소듐의 단점을 보완해 SFR의 안전성을 높이는 게 목표”라고 말했다.

GIF 국가 중 SFR 공동연구에 참여하는 나라는 한국, 미국, 중국, 일본, 러시아, 프랑스, 유럽연합(EU) 등 7개국이다. 우리나라는 2028년 SFR 실증로를 건설한 뒤 2040~2050년에는 상용화할 계획이다.








△SFR 전체 구조. 증기발생기로 연결된 중간계통은 독립된 배관으로 이뤄져 있다. 원자력연 제공

 

 



최세민 동아사이언스 기자 july@donga.com



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