제4세대 원자로

▼ 발전용 원자로

  가스냉각로

  가압경수로

  경수로

  발전용 원자로 일반

  비등형경수로

  원자력 발전 필요성

  제4세대 원자로

  중소형 원자로(SMR)

  중수로

제4세대 원자로는 시기적으로는 2030년 이후, 기술적으로는 원자력 에너지 이용의 지속가능성이 확보되는 발전용 원자로를 말한다. 현재의 3 또는 3+세대 원자로와 시간적·기술적으로 대비되는 개념으로 6개 원자로기술이 선정되었으며, 현재의 기술적 이슈, SF 관리 이슈 등을 해결할 수 있는 원자로로 평가되고 있다.

제4세대 원자로 선정 배경

2000년 제3 또는 3+ 세대 원자로 기술의 제한적 한계를 극복하고 원자력 이용의 지속가능성과 핵확산저항성이 확보되는 미래형 원자로 개발의 필요성이 제기되어 2002년 100여 개의 기술에 대한 전문가평가로 6개의 제4세대 원자로 기술이 선정되고 기술개발 로드맵이 수립되었다.

제4세대 원자로의 정의

제4세대 원자로는 “안전성, 폐기물 최소화, 핵확산저항성 및 사회수용성 우려를 해결하면서 에너지 공급의 경제성과 신뢰성을 확보하여 인허가·건설·운전이 가능한 원자로” 로 정의하고 있다.

기술개발 로드맵

노형별 차이가 있지만 2020년까지 기술목표를 달성, 2030년 이후 건설이 가능하도록 필요한 R&D 기술을 규정·개발 로드맵을 수립하였다(2002년). 2014년 1차 개정 시 후쿠시마형 사고의 방지 등을 반영하도록 기술목표 달성 일정을 노형에 따라 3~5년 연장·수정하였다.

• 가능성평가 단계(Viability Phase) : 제4세대 원자로 기술목표 달성에 필요한 기술의 적합성과 원자력시스템(원자로, 동력변환 및 핵연료 주기 등) 구성의 기술적 가능성을 분석·평가하는 단계
• 기술성능평가 단계(Performance Phase) : 제4세대 기술로서 가능성과 적합성이 평가된 개별 기술에 대하여 하드웨어적(실험, 시험) 또는 소프트웨어적으로 성능을 평가하는 단계
• 시험검증 단계(Demonstration Phase) : 원자력시스템(원형로 또는 시범로)을 건설하여 종합적으로 시험·검증하는 단계. 이 단계가 끝나면 상용발전 단계로 이어진다.

원자로 4대 기술목표

2002년 6개 원자로기술을 선정하면서 4개의 정성적 기술목표를 제시하였다. 필요기술의 검증이 이루어지면 구체적인 정량적 목표가 제시될 것으로 보인다.

• 안전성 및 신뢰성 : 노심손상가능성(확률)을 최소화, 비상대응 등 특별한 조치가 필요 없는 안전시스템 구축
• 경제성 : 타 발전원 대비 전 수명 운전비용의 경쟁우위 확보, 타 에너지 프로젝트와 유사한 수준의 재정적 위험 부담
• 지속가능성 : 연료자원의 장기적 가득성을 증대시켜 에너지 공급의 지속성 확보, 폐기물 발생을 최소화하여 장기적 관리 부담을 감소
• 핵비확산성 및 물리적 방호 : 무기성 핵물질의 전용, 절도 불가 수단 확보 및 테러 방지 물리적 방호 능력 확보

제4세대 원자로 분류

원자력의 지속가능성과 핵확산저항성에 중점을 둔 고속로 원자로기술 3개, 3세대 열원자로 기술현안 극복이 기대되는 열원자로 노형이 3개이다.

• 소듐냉각고속로(SFR, Sodium-cooled Fast Reactor) : 핵심기술은 대용량 Pool형과 Loop형 및 소용량 모듈개념의 원자로와 혼합연료(MOX)와 금속연료(Metal) 등이다.
• 초고온가스로(VHTR, Very High Temperature Gas-cooled Reactor) : 에너지전환효율을 극대화하기 위해 초고온(900~1,000℃) 운전환경, Pebble형 또는 Block형 원자로, 3겹 피복의 핵연료가 핵심기술이다.
• 납냉각고속로(LFR, Lead-cooled Fast Reactor) : 납(Pb) 또는 납혼합물질(Pb-Bi등)을 냉각재로 사용하는 원자로기술. SFR과 유사한 기술 외에 냉각재 부식문제 방지가 연구개발 핵심대상이다.
• 가스냉각고속로(GFR, Gas-cooled Fast Reactor) : 헬륨(He) 가스를 냉각재로 사용. 냉각재 상실사고 시 잔열제거기술, 핵연료 관련기술, 기기 및 시스템 기술 등이 연구개발 핵심대상이다.
• 초임계압수냉각로(SCWR, Supercritical-water-cooled Reactor) : 열역학적으로 임계점(374℃, 22.1MPa) 이상의 H₂O를 냉각재로 사용하는 원자로(고속로 또는 열원자로)로 초임계 상태에서는 狀변화가 되지 않으므로 효율이 우수해진다. 열전달, 부식 문제, 재료 건전성 등에 관한 R&D의 핵심이 되고 있다.
• 용융염로(MSR, Molten Salt Reactor) : 핵분열성 핵연료 물질을 냉각재인 염에 녹인 용융염 개념의 원자로임. 용융염에 의한 부식, 핵연료 기술, 안전 이슈, 사용후 염의 처리 등이 핵심기술이다.

(참고) 이곳에 “미래원자력 기술의 GEN-IV 원자로”와 link 삽입

제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF, Gen IV International Forum)

• GIF 협력의 의의는 제4세대 원자로기술이 현재의 제3 또는 3+세대 기술과는 다르고 기술기반과 경험 부족으로 개발의 불확실성과 기술개발 투자 위험부담 등을 경감할 수 있도록 자원(기술, 시설, 경험)을 공유하여 개발의 효율성을 확보할 수 있다는 것이다.
• 미래형 원자로기술 개발필요성을 공유한 원자력기술 보유국은 국제협력을 위한 GIF 설립과 운영체계를 확립하고(2001. 7), 현재 4개 노형(SFR, VHTR, SCWR, GFR)은 계약적 기술협력, 2개 노형(LFR, MSR)에 대해서는 양해각서 협력을 진행하고 있다. 회원국은 14개국(한, 미, 프, 일, EU, 중, 러, 캐, 스위스, 영, 브라질, 아르헨티나, 남아공, 호주) 이다.
• 운영체계로 최상위 결정기구인 정책그룹, 산업계자문 기구인 SIAP. 실행기구인 전문가 그룹, 기술협력기구인 6개 노형의 시스템운영위원회, 3개의 전문가 실무그룹이 있다. 한국은 정책그룹의 부의장직을 맡고 있으며 SFR, VHTR 및 LFR 협력에 참여하고 있다.
• GIF 협력철학과 원칙 : 회원국은 협력으로 생산·기여된 기술을 공유하여 해당 R&D에는 조건 없이 사용가능하나 지식재산권을 보호하여야 하며 상업적 활용에 대해서는 기술소유 회원국과 별도 협의가 필요하다.