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- 소형 원자로에서 액체 나트륨을 냉각제로 사용, 녹는점 섭씨 97도, 끓는점 섭씨 890도
- 나트륨 냉각 증식기 Superphenix는 냉각수와 관련된 문제 야기
- 1년 만에 누출 발생해 20톤, 1990년에 두 번째 누출로 인해 400톤의 나트륨 전체 청소
- 1994년 아르곤 누출 사고. 1998년에 폐쇄,
- 새로운 발전소는 현재 인도와 중국에서 건설 중이고 일부는 이미 러시아에서 가동 중

나트륨 냉각 원자로 : 빠른 중성자는 높은 수율 보장

사용된 물은 가압경수로와 비등수로에서 다른 기능을 한다. 그것은 원자로 노심 주위를 흐르고 따라서 냉각제 및 열 수송기 역할을 한다. 그러나 또한 핵분열에 의해 방출되는 중성자에 대한 감속, 즉 감속 효과도 있다. 이들은 열 중성자가 되어 우라늄-235에 흡수될 수 있다. 그러나 자연적으로 발생하는 우라늄에서 이 동위원소는 1% 미만을 차지하므로 연료로 사용하기 전에 농축해야 한다.

가장 흔한 동위원소인 우라늄-238은 열중성자와 핵분열되지 않는다. 이를 위해 소위 고속 중성자가 필요하다. 우라늄-238 원자는 그러한 중성자를 포착하면 넵투늄-239를 통해 플루토늄-239로 붕괴된다. 플루토늄은 궁극적으로 연료 역할을 한다. 이 과정에서 포획된 것보다 더 많은 중성자가 방출되기 때문에 핵분열성 물질도 과도하게 존재한다. 이것이 이러한 원자로 모델을 고속 증식 원자로라고 부르는 이유다. 그러나 "빠른"이라는 용어는 생산 속도가 아니라 중성자의 이동과 관련이 있다. 

▲ 원자로 노심(왼쪽 아래)은 액체 나트륨에 잠겨 있다. 풀 설계에서 코어가 있는 첫 번째 열교환기는 나트륨 풀에 있다. 전기는 세 번째 사이클을 통해 생성된다.© gemeinfrei

올바른 냉각제 선택

방출된 중성자가 감속되지 않도록 고속 증식 원리에 따라 소형 원자로에서 액체 나트륨을 냉각제로 사용한다. 녹는점은 섭씨 97도, 끓는점은 섭씨 890도이다. 결과적으로 용융염과 유사하게 압력을 높이지 않고도 사용할 수 있어 폭발 위험이 없다.

나트륨 냉각 원자로는 풀(pool) 및 루프(loop) 설계의 두 가지 스타일로 설계된다. 풀 변형에서 원자로 핵은 액체 나트륨 풀에 있다. 이것은 핵과 풀에 위치한 열교환 시스템 주위로 펌핑된다. 이 첫 번째 열교환기는 액체 나트륨도 포함하고 열에너지를 세 번째 회로로 전달하여 궁극적으로 터빈과 발전기를 구동한다.

루프 변형은 유사한 방식으로 작동한다. 유일한 차이점은 첫 번째 열교환기의 위치다. 원자로실, 첫 번째 루프 및 열교환기를 둘러싼 풀 대신 두 개의 개별 루프가 있다. 온도 교환은 별도의 용기에서 이루어진다.

불(Fire) 게임

언뜻 보기에 나트륨 냉각식 증식기는 경수로에 대한 좋은 대안으로 보인다. 결국 천연 우라늄을 사용하기 때문에 효율이 몇 배나 더 높다. 수 톤의 나트륨을 포함하는 비용 요인 외에도 발전소 운영자는 알칼리 금속을 사용할 때 주요 안전 문제에 직면한다. 이는 주로 알칼리 금속으로서 물이나 공기와 접촉하면 즉시 연소하기 시작하는 나트륨의 높은 반응성과 관련이 있다.

이러한 위험과 높은 기술 요구 사항으로 인해 개념이 1950년대로 거슬러 올라감에도 불구하고 지금까지 매우 소수의 빠른 증식기 만이 운영되었다. 긍정적인 예는 1973년부터 2010년까지 아비뇽(Avignon) 근처에서 운영된 프랑스 원자력 발전소 Pénix이다. 그러나 563메가와트의 열 출력으로 1986년에 가동에 들어간 3천 메가와트 슈퍼페닉스의 프로토타입에 불과했다.

▲ Superphenix 원자력 발전소는 이익보다 더 많은 문제를 가져왔다. © Yann Forget /CC-by-sa 3.0

 

나트륨 냉각 증식기 Superphenix는 냉각수와 관련된 문제를 인상적으로 보여주었다. 시운전 후 불과 1년 만에 누출이 발생해 20톤의 나트륨이 빠져나갔다. 1990년에 두 번째 누출로 인해 400톤의 나트륨 전체를 청소해야 했다. 작은 불순물이라도 산화물을 막히게 할 수 있기 때문이다. 이 과정은 8개월이 걸렸다. 같은 해에 지붕의 일부가 적설로 인해 무너졌고 1994년에는 아르곤 누출이 있었고 1998년에는 발전소가 마침내 폐쇄되었다.

새로운 상승세

그러나 고속 나트륨 냉각 원자로의 개념은 Superphenix에 묻혀 있지 않았다. 예를 들어, 나트륨 풀이 있는 새로운 발전소는 현재 인도와 중국에서 건설되고 있으며 일부는 이미 러시아에서 가동 중이다. SMR의 형태로 확장하면 더 작고 제어 가능한 증식로가 생길 수 있다.

나트륨과 관련된 문제를 제외하고 빠른 증식기는 비교적 안전한 것으로 간주된다. 핵이 과열되면 우라늄이 중성자를 포획할 확률도 높아진다. 이를 통해 원자로의 열 출력을 낮추고 노심 용융을 수동적으로 방지한다.
천연 우라늄은 증식기에서 플루토늄-239로 변환되기 때문에 토륨 원자로와 마찬가지로 여기에서도 안전 문제가 있다. 무기급 플루토늄은 포획되어 원자폭탄에 사용될 수 있다.

(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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