가스냉각로

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이산화탄소(CO₂) 및 헬륨(He)과 같은 기체를 냉각재로 사용하는 원자로를 가스냉각로라 한다. 가스냉각로는 1960년대에 영국, 독일을 중심으로 개발되어 활용 되어 왔으나 널리 보급되진 못했다. 그러나 2001년 초고온 가스냉각로가 제4세대 미래형 원자로의 한 노형으로 선정되어 원자력기술국들이 국제공동협력으로 개발을 추진하고 있다. 고온의 냉각재 특성으로 전력생산 외에도 다양한 산업적 활용이 전망된다.

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  가스냉각원자로

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  가스냉각원자로용 Triso 핵연료 볼

가스 냉각재의 장단점

원자로개발 초기에 경수로와 경쟁이 이루어지면서 천연우라늄을 연료로 하고 원자로 냉각재로 구하기 쉬운 가스(기체)가 사용되었으나 냉각재로서의 단점이 장점보다 부각되어 경수로에 비해 활용이 퇴보하게 되었다. 가스 냉각재의 장단점으로,

• CO₂ 및 He은 방사선에 안정적이므로 취급이 쉽다.
• 열중성자 흡수단면적이 작다
• 낮은 압력에서도 고온 유지가 쉬우므로 열효율을 높일 수 있다.
• 상(기체-액체)의 변화가 없어 안정적이다.
• 경수 냉각재에 비해 밀도가 낮아 같은 양의 열에너지 전달에 많은 가스가 필요하다.
• He과 같은 불활성 기체 경우 냉각재 누설문제가 있다.

핵연료와 노심모형

초기 핵연료는 봉(rod)형이었으나 1970년대부터 고온에서도 건전성을 유지하여 핵분열생성물을 가둘 수 있는 피복입자핵연료 Triso(tri-isotropic coated fuel)가 사용된다. Triso는 직경 0.6mm의 이산화우라늄핵(UO₂)을 탄소와 탄화규소(SiC) 세라믹으로 삼중 피복한 것으로 직경이 약 1mm이다. Triso 핵연료를 흑연가루와 구형으로 뭉쳐서 직경 6cm 내외로 성형한 핵연료를 페블형(pebble type)이고, Triso 핵연료를 분필 모양으로 성형한 후 흑연 블록에 채워 넣은 핵연료를 블록형(block type)이다. 페블형은 원자로 운전 중에 연속적으로 장전·방출되며 연소도와 손상 여부를 검사한 후 재장전 된다. 블록형은 원격 핵연료 취급 장치를 사용하여 장전되며 교체는 주기적으로 이루어진다. Triso 핵연료는 내부식성이 커서 장기간 처분이 용이하다.

MAGNOX 원자로

영국에서 개발한 원자로로 금속 천연우라늄을 마그네슘 합금으로 피복한 연료로 노심을 구성하고 CO₂ 냉각재와 흑연 감속재를 사용한 가스냉각로이다. MAGNOX형 원자로는 초기에 주로 $^{239}Pu$ 생산원자로로 이용되었으며 1955년에 건설되어 최초의 상업발전 원전인 영국 Callder Hall 원자로가 MAGNOX 원자로의 상징이다. 더 이상 건설은 않지만 현재도 발전용으로 가동 중인 원자로가 있다. 북한 영변의 5 MWe 원자로가 MAGNOX형으로 $^{239}Pu$를 생산하고 있다.

개량형 가스냉각로(AGR, Advanced Gas-cooled Reactor)

MAGNOX 원자로 개량형으로 CO2 냉각재와 흑연 감속재를 쓰며 저농축우라늄(약 2w/o $^{235}U$) 핵연료의 피복재로 스테인레스강(stainless steel)을 사용하여 마그네슘 합금의 고온 부식문제를 해결하고 냉각재의 온도를 높여 발전효율이 약 40%로 높아졌다. 에너지 전달밀도가 낮은 가스냉각로의 단점인 많은 양의 냉각재가 필요한 문제는 여전히 남아있다. MAGNOX와 마찬가지로 더 이상 건설되지 않는다.

고온가스냉각로(HTGR, High-Temperature Gas-cooled Reactor)

He 냉각재와 Triso 핵연료를 사용한다. Triso핵연료는 열 출력밀도가 낮아 원자로가 커지는 단점이 있지만 원자로압력용기의 표면 복사열만으로 잔열을 제거할 수 있어 안전성이 우수하다. 핵연료 형태에 따라 독일의 페블형과 미국에서 개발한 블록형(혹은 Prism형)으로 분류한다.

• 페블형원자로는 1962년 건설한 Dragon을 시작으로 독일의 AVR, THTR이 있으나 현재는 폐쇄되었다. 2000년대에 남아공이 PBMR(Pebble-Bed Modular Reactor) 건설을 추진하였으나 중단되었고 중국이 현재 상용발전소 HTR-PM을 건설하고 있다. 페블형은 구조가 단순하며 반응도제어가 유리하다.
• 블록형원자로는 1967년 미국의 Peach Bottom-1이 시작이며 Fort St. Vrain에서 1988년까지 운용한 경험이 있다. 블록형은 페블형에 비해 출력밀도가 크고 노심압력강하가 작은 장점이 있다.

초고온가스냉각로(VHTR, Very High Temperature gas-cooled Reactor)

초고온가스냉각로는 고온가스냉각로와 같이 Triso 핵연료와 He냉각재를 사용하지만 냉각재의 노심출구온도가 높아 응용분야가 다양하다. 초고온가스로는 물을 분해하여 수소를 생산하거나 Brayton 가스싸이클을 사용하여 50%이상의 고효율로 전기를 생산하는데 활용될 수 있다. 일본에서 실험로 HTTR(High Temperature Test Reactor)을 950℃ 이상으로 운전하여 구현가능성을 입증하였으나 상용화를 위해서는 재료나 기기의 장시간 가동 건전성을 확보하기 위해 초고온에서의 검증이 필요하다.