초고온가스로

▼ 4세대(GEN-IV)원전

  가스냉각고속로

  납냉각고속로(LFR)

  소듐냉각고속로

  용융염원자로

  제4세대 원자로

  초고온가스로

  초임계압 수냉각 원자로

원자로에서 발생한 열이 냉각재로 전달되어 일을 하는 동력으로 전환될 때 주어진 조건에서 냉각재의 온도가 높을수록 동력전환 효율이 높아진다. 경수 또는 중수 냉각재 경우 비등하지 않으면서 온도를 높이기 위해서는 높은 압력을 가해야 하나 시스템과 경제적 효율성 측면에서 한계가 있다. 그러나 가스를 냉각재로 사용하면 압력을 올리지 않고도 높은 온도를 유지할 수 있으며 고온에서도 상변화(phase change)가 없으므로 일의 효율성도 매우 높아진다. 초고온가스로는 냉각재 가스를 900℃ 이상 올릴 수 있는 원자로로 높은 열원으로 인해 고효율의 전력생산을 한다. 황이나 요오드 같은 촉매를 이용해 섭씨 900℃ 정도의 높은 온도에서 물이 저절로 수소와 산소로 분해되도록 함으로써, 많은 수소를 생산하는 것도 가능할 뿐만 아니라 산업 공정열 공급 등의 다양한 산업분야에 널리 활용할 수 있다.

수소는 수소 연료 전지 자동차처럼 미래 에너지원으로 주목받고 있는 기체로 보통은 물을 전기 분해해서 수소를 얻는다. 즉, 일반적으로 수소를 얻기 위해선 전기 에너지를 사용해야 하지만 초고온 가스로는 전기 대신 열에너지를 이용해 수소를 얻을 수 있다는 뜻이다.

이렇게 초고온 가스로가 생산한 많은 양의 수소는 수소 자동차와 같은 다양한 산업 분야에 값싼 에너지원으로 활용하게 된다.

초고온가스로 개념

초고온가스로(VHTR)는 냉각재로 헬륨(He)을, 감속재로는 흑연(Graphite) 사용하는 가스냉각 원자로이다. 초고온가스로는 가스냉각재의 원자로 출구온도가 900℃ 이상으로 고온가스로(HTGR)와 구분하며 기술적인 개념은 고온가스로와 동일하다. 원자로는 사용하는 연료의 형태에 따라 노형을 구분하며 연탄모양인 블록형(block)과 자갈탄모양인 페블형(pebble) 두 가지가 있다. 두 노형은 직경 1mm 정도의 피복핵연료입자인 TRISO(tri-isotropic coated fuel)를 기반으로 사용한다. 블록형은 프리즘형 이라고도 하며 TRISO 입자를 분필모양으로 성형하여 육각형의 흑연 블록에 채워 넣은 핵연료를 사용하며, 페블형은 TRISO 입자를 뭉친 후 외부를 초열탄소로 피복한 직경 6cm의 구형 핵연료를 사용한다. TRISO 기반의 핵연료는 구조 특성상 핵분열 생성물의 누설이 극히 낮아 안정성이 매우 높으며 사고 시 능동시스템의 개입 없이도 피동적인 자연현상만으로 안전성이 확보될 수 있다.

초고온가스로와 고온가스로(HTGR, High Temperature Gas-cooled Reactor)

가스를 냉각재로 사용하는 열중성자원자로를 일반적으로 GCR(Gas Cooled Reactor)이라 부른다. 고온가스로와 초고온가스로 개발은 1947년 미국 ORNL(Oak Ridge National laboratory)과 독일에서 시작되었다. 독일을 중심으로 헬륨을 냉각재로 사용하여 원자로의 출구온도를 올린 것을 통상적으로 고온가스로라 한다. 두 노형은 핵연료로 TRISO를 사용한다든지 하는 차이점이 있지만 온도 관점에서 가장 큰 차이가 있다. 1980년대 독일의 고온가스로는 현재의 초고온가스로 영역에 해당하는 900℃ 이상으로 운전 된 바 있으며, 현재 일본의 실험용 고온가스로인 HTTR도 950℃에서 운전 경험이 있다. 초고온가스로는 미래형 원자로인 제4세대 원자력시스템의 기술목표를 정하면서 기존의 고온가스로와 구분 지우게 되었다. VHTR과 HTGR은 명확한 구분 없이 혼용하고 있으나 통상적으로 두 노형을 구분하는 관점은 가스냉각재의 설계온도이며 온도 차이에 따라 이용분야도 달라진다.

초고온가스로 기술개발 분야

초고온가스로가 실현화되기 위해서는 고온가스로 기술에 더해서 기술의 완성도를 높여야 하는 분야가 있다. 첫째, 950℃에 이르는 냉각재의 원자로 출구온도로 인해 초고온에서 하중을 견딜 수 있는 소재 선정 및 관련데이터의 확보가 필요하다. 둘째, 중간열교환기 제어봉 등과 같이 초고온에서 작동하는 기기 혹은 부품의 장시간 가동에 따른 성능과 건전성 확보가 필요하다. 셋째, 초고온가스로와 초고온의 열을 이용하는 시스템 간의 연계기술 연구개발이 필요하다. 예를 들어 수소생산에 적용하기 위한 시스템연구, 고효율 전기생산에 필요한 가스터빈기술 개발 등이 기술개발 필요분야이다. 초고온가스로에 대한 제4세대 국제공동연구에서는 재료프로젝트, 수소프로젝트, 핵연료프로젝트를 통해 기술적장벽해소를 위한 공동연구를 수행중이다.

VHTR 기술개발 GIF국제협력

2001년 VHTR를 포함한 6개 노형의 제4세대 원자력시스템 기술개발을 위해 원자력기술 선진국의 협력체계인 제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF, Generation IV Nuclear System International Forum)이 결성되었다. VHTR개발을 위한 GIF 협력은 현재 한국, 미국, 일본, 프랑스, 캐나다, 스위스, EU 및 중국이 참여하고 있으며, 핵연료 및 핵주기, 재료, 수소생산, 해석방법 검증의 4개 프로젝트로 구성되어 기술적 사안들에 대해 공동으로 연구가 진행 중에 있다. 각 프로젝트의 주요 연구개발 분야 및 내용을 요약하면 다음과 같다.

• 핵연료 및 핵주기(Fuel & Fuel Cycle) 프로젝트 : UO₂ 커넬(kernel)과 SiC/PyC 피복의 TRISO 입자핵연료 성능 검증, 연소도 증가, 핵분열생성물 누설 감소, 사고 시 건전성 향상을 위한 UCO 커넬 제조 및 ZrC 피복기술 관련 연구를 수행
• 재료(Material) 프로젝트 : 재료 특성평가와 재료 표준 및 규격 등에 대한 연구, 재료개발, 초고온 설계코드 연계 물성자료 확보, 국제연구공조, 수명예측 등을 위한 재료 물성 핸드북을 개발
• 수소생산(Hydrogen Production) 프로젝트 : 수소생산기술로 열화학공정인 요오드-황(IS) 공정, 전기분해공정인 고온수증기전기분해(HTSE) 공정, 대안공정으로서 구리-염소(Cu-Cl) 하이브리드 공정 및 황(S) 하이브리드 공정을 대상으로 공정평가 및 관련 기초연구(장치재료, 상평형, 반응촉매 등), 원자로시스템과 수소생산 공정의 연계기술 연구 등
• 해석방법 검증(Methodology Verification & Validation) 프로젝트 : 열수력, 열기계, 노물리, 방사화학은 정상운전, 비정상운전, 사고조건에서 원자로성능 평가, 전산코드검증은 실험결과와 코드 간 비교, 기본현상부터 HTTR 및 HTR-10을 사용한 종합실험, 과거 고온가스로 운전 자료 등의 연구를 수행

초고온가스로 활용

초고온가스로와 고온가스로의 이용 분야는 다소 다르다. 고온가스로는 기본적으로 Rankine 싸이클을 이용한 전기 생산 또는 열공급이 주목적이다. 이에 비해 초고온가스로의 주요 활용분야는 수소생산이다. 열화학수소생산 공정에서는 900℃ 이상 환경이 되어야 황산(H2SO4)을 SO2 가스로 분리하는 것이 가능하다. 따라서 반응을 발생시키기 위해서는 열원(초고온가스로 가스냉각재)의 온도는 900℃이상이 되어야 하며 효율을 고려하면 950℃ 이상이 필요하다. 고온전기분해 공정은 낮은 온도의 열원으로 가능하나 효율은 열원의 온도를 높일수록 증가하므로 전기생산 효율이 중요하다. 전기생산 측면에서는 열원의 온도가 약 600℃를 넘어가면 수증기를 사용하는 Rankine 싸이클에 비해 가스를 사용하는 Brayton 싸이클의 효율이 훨씬 높아진다. 따라서 초고온가스로를 이용한 전기생산은 초고온의 헬륨가스를 활용한 Brayton 싸이클을 이용한다.

원자력기술 주요국의 기술개발 현황

미국, 일본, 중국을 선두로 하여 원자력기술 주요국은 2000년대 초반부터 산업적 활용성이 높은 초고온가스로 개발을 추진하기 시작했다. 독자개발과 아울러 2001년 결성된 GIF 협력체제에서 공동연구를 병행하고 있다. 특히 일본은 1998년부터 30 MWt 열출력의 초고온가스 실험로인 HTTR을 운용 중이며 2010년 3월에는 950℃로 50일 이상 성공적으로 운전하였다. 우리나라는 2006년부터 초고온가스로 핵심기술 확보를 위한 연구개발을 추진하고 있다.

국가	연구개발의 내용	현황
미국 DOE(INL)	ㅇ 차세대원자로(NGNP) 사업: 초고온가스로를 이용한 고효율 전기 및 수소생산 실증 원형시스템 개발 (Energy Policy Act 05)	ㅇ 900℃ 출구온도, 수소·전력생산 시험목적,개념설계연구 완료,현재 연구개발은 INL,핵연료 및 재료연구는 ORNL 중심 수행 중 ㅇ ‘12년 AREVA NGNP Alliance 주도 결정 ㅇ 고온전기분해 수소생산 연구 집중
	o GT-MHR	o 러시아와 공동으로 러시아의 무기급 Pu처리 위한 고온가스연소로 개발
일본 JAEA	ㅇ HTTR을 이용한 원자력수소 생산 실증	ㅇ '10년 50일간 950℃ 운전 성공, HTTR연결 수소생산 실증 추진 ㅇ HTTR 활용 OECD/NEA 안전성실증 국제 공동연구 수행
	o 원자력수소 생산 목적 상용로(GTHTR-H) 개발	o 600MWt급 수소∙전력생산 상용로 GTHTR-H 개발 연구
중국 INET	ㅇ HTR-10을 이용한 고온가스로 운전 및 안전성 실증	ㅇ 안전성 실증시험 및 고온가스터빈 적용연구 수행 중 ㅇ 냉각재 원자로 출구온도 750℃
	o 250MWt x 2 증기터빈 전력생산 상용로 (HTR-PM) 개발	o 산둥반도에 건설 중 (2017년 완공목표) o 냉각재온도 750℃, 발전용 원자로
EU	ㅇ ARCHER(Advanced High-Temperature Reactors for Cogeneration of Heat & Electricity R&D	ㅇ 초고온가스로 핵심연구로서 안전, 핵연료, 재료, 지식경영, 계통종합 관련 연구 핵심연구 수행
한국	ㅇ 초고온가스로 핵심연구로서 안전, 핵연료, 재료, 지식경영, 계통종합 관련 연구 핵심연구 수행	ㅇ초고온가스로 계통개념연구(블록형, 350MWt) 완료 ㅇ초고온가스로 설계해석코드, 핵연료, 초고온재료, 수소생산 핵심기술개발 수행