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- SMR(Small Modular Reactor), 300MW 미만 전기 생산, 핵연료 적게 함유
- 소형 원자로의 약 70가지 유형 중 대부분은 여전히 ​​종이로만 존재
- IAEA에 따르면 전 세계적으로 80개 이상의 SMR 발전소가 계획 중이거나 건설 중
- 더 많은 중성자 방사선과 더 많은 오염 물질 배출

원자력: 소형 원자로는 폐기 문제를 악화 시킨다.
SMR 원자로는 일반 원자력 발전소보다 최대 30배 많은 방사성 폐기물을 생성한다.

좋은 대안이 아니다.
소형 원자로는 적어도 소형 모듈식 원자로(SMR) 지지자들 사이에서 재생 에너지에 대한 기후 친화적인 보충물로 간주된다. 그러나 최근 한 연구에 따르면 이 소형 원자로는 출력 당 최대 30배 더 많은 핵폐기물을 생산하고 있으며 이 핵폐기물은 훨씬 더 방사성이다. 현재 호황을 누리고 있는 SMR 건설은 따라서 방사성 처분 문제를 더욱 악화 시킬 수 있다. 

▲ 원자력의 귀환? 소형 모듈식 원자로는 기존 원자력 발전소보다 저렴하고 안전하며 깨끗해야 한다. 이러한 주장의 진실은?

기후 위기, 러시아와의 갈등, 그리고 여전히 부족한 재생 에너지 확대로 인해 원자력이 새로운 매력으로 떠오르고 있다. 방사성 폐기물의 영구 저장 및 안전한 처분 문제가 해결되지 않았지만 일부 국가에서는 새로운 유형의 원자력에 의존하고 있다. SMR(Small Modular Reactor)이라고 불리는 원자로. 이 발전소는 300메가와트 미만의 전기를 생산하고 핵연료를 적게 함유하며 때로는 새로운 냉각 방법으로 물 대신 가스나 용융염을 사용한다.

소형 원자로 붐

"다양한 디자인의 SMR 시스템을 제공하는 회사의 수가 급격히 증가했다"라고 Stanford University의 린제이 크랄(Lindsay Krall)과 동료들은 설명한다. "개발자들은 기술이 기가와트 규모의 일반 원자력 발전소보다 더 안전하고 저렴하며 경제적일 것이라고 약속한다." 이러한 소형 원자로의 약 70가지 유형 중 대부분은 여전히 ​​종이로만 존재한다. 국제원자력기구(IAEA)에 따르면 전 세계적으로 80개 이상의 SMR 발전소가 계획 중이거나 건설 중이다.

▲ 소형 모듈식 원자로(SMR)는 조립식 부품으로 구성되어 있으므로 여기 미국 연구 센터에서 비교적 빠르게 건설할 수 있다. © 아이다호 국립 연구소

언뜻 보기에 소형 원자로는 몇 가지 장점이 있는 것처럼 보인다.
즉, 조립식 구성 요소로 조립되므로 더 빠르고 저렴하게 만들 수 있다. 또한, 핵연료가 덜 필요하고 1회 충전으로 더 오래 작동한다. 기존의 대형 원자로는 1~2년 후에 핵연료봉을 교체해야 하며 SMR에서는 3~7년마다 교체해야 하며 일부 설계는 연료를 바꾸지 않고 30년을 버틸 수 있다.

테스트에서 세 가지 SMR 구성 유형

이것으로 인한 핵폐기물의 경우는 어떠할까?
Krall은 "이렇게 작은 원자로에서 나오는 방사성 폐기물 흐름의 관리 및 처분을 다룬 연구는 현저히 적다"라고 말했다. 그녀의 팀이 최근 이것을 다루었다. 연구를 위해 소형 원자로 3종, 사용후 핵연료 발생량, 부품 해체·교체 시 발생하는 오염물질 발생량, 방사성 핵종 발생량 등을 조사했다.

테스트 모델로 연구원들은 160메가와트 NuScale 통합 가압 경수로, 용융 불소염으로 냉각된 Terrestrial Energy의 400메가와트 IMSR 원자로, 도시바의 30메가와트 나트륨 냉각 4S 원자로를 선택했다. 팀은 이러한 SMR 시스템의 매개변수를 출력이 1,100메가와트인 기존 가압수형 원자로의 매개변수와 비교했다.

▲ NuScale iPWR, Terrestrial Energy IMSR 및 나트륨 냉각 Toshiba 4S SMR을 포함한 다양한 SMR 설계에 대한 폐기물 유형별 에너지 등가 폐기물 양. (출처: 관련논문 Nuclear waste from small modular reactors / PNAS Vol.119)

더 많은 중성자 방사선과 더 많은 오염 물질

첫 번째 요소는 SMR 시스템 작동 중에 핵연료에서 방출된 중성자에 의해 활성화되는 방사성 물질이다. 동위원소는 강철, 콘크리트 등을 방사성으로 만드는 생성된다.

Krall의 동료인 Rodney Ewing은 "중성자가 더 많이 빠져나갈수록 이 활성화로 인한 방사능이 더 높아진다"라고 설명했다.

설계로 인해 이 중성자 누출은 연구원들이 결정한 바와 같이 기존 원자력 발전소보다 소형 SMR 원자로에서 더 높다. "우리는 소형 모듈식 원자로가 기존 원자력 발전소보다 최소 9배 더 많은 중성자 활성 강철을 생산한다는 것을 발견했다"라고 Ewing이 보고했다. 이 활성화된 강철에는 수천 년 동안 방출될 수 있는 방사성 동위원소가 포함되어 있으며 이는 저장소로 보내져야 한다.

이국적인 냉각제는 이국적인 핵폐기물을 만든다.

또 다른 요점은 사용후 핵연료봉과 냉각수 형태의 고방사성 폐기물이다. 

분석에 따르면 모듈식 소형 원자로는 생산된 에너지와 관련하여 대형 원자로보다 최대 5.5배 더 많은 사용후 핵연료를 생성한다. 일부 유형의 구조물은 화학적으로 특이한 연료 혼합물과 냉각제를 사용하는데, 이는 폐기하기 어려운 폐기물이 된다.

"녹은 염이나 나트륨으로 냉각되는 SMR은 부식성 및 인화성이 높은 연료를 사용하여 방사선에 노출되면 높은 방사능을 띠게 된다"라고 연구원들은 설명했다. Toshiba의 소형 30메가와트 소형 원자로는 열 출력 1기가와트당 약 115입방미터의 오염된 나트륨 냉각제를 생성할 수 있으며, 이 냉각제는 특수 처리, 조절 및 폐기되어야 한다.

용융염이 있는 소형 원자로는 원자로 노심의 최대 80%를 채울 수 있는 중성자 변조기 및 반사기로 흑연을 사용한다. 연구팀은 "이 흑연은 일정한 조사에 따라 팽창하고 부서지기 때문에 수명이 제한된다"고 말했다. 따라서 오염된 흑연은 교체 및 폐기해야 한다. Terrestrial Energies의 400메가와트 IMSR은 열 출력 1기가와트당 13입방미터의 방사성 흑연을 생산할 것이다. 

▲ (A) 1,000-MWelec PWR 및 (B) 50-MWelec NuScale iPWR 코어의 축척 도면은 원통형 구성 요소의 내경 및 외경(센티미터)을 표시하고 예상되는 상태에 따라 수명이 짧은(노란색) 또는 긴 것으로 코딩된 색상 -살아있는(밝은 빨간색과 적갈색) LILW. 주황색은 단기 또는 장기 LILW 상태에 대한 불확실성을 나타낸다. (출처: 관련논문 Nuclear waste from small modular reactors)

일반 폐기와 호환되지 않음

모듈식 원자로에서 나오는 핵폐기물의 구성도 문제가 된다.

조사된 세 가지 SMR 유형은 모두 방사성 폐기물을 생성하며, 여기에는 고방사성 핵종이 기존 원자력 발전소보다 훨씬 더 집중되어 있다. 이들 원자로는 처분할 폐기물에 무게로 평균 1.3%의 우라늄-235와 플루토늄을 함유하고 있지만, NuScale 소형 원자로는 중량으로 2.3%, IMSR은 3%, 나트륨 냉각 도시바 원자로는 심지어 17%를 차지하고 있다.

그러나 이것은 이 방사성 폐기물이 캐스크와 같은 일반 저장 용기에서 임계 질량에 도달할 수 있음을 의미한다. 핵 연쇄 반응이 다시 폭발할 위험이 있다. "따라서 이 SMR 폐기물에 대해 컨테이너 설계 및 적재에 대한 새로운 접근 방식을 개발해야 한다"라고 Krall과 그녀의 동료는 말했다. "이것은 상당한 비용을 수반한다." 따라서 이러한 소형 원자로는 이전의 처분 기술 및 저장소 개념과 양립할 수 없다.

핵폐기물 최대 30배

연구팀에 따르면, 이러한 결과는 소형 모듈형 원자로가 핵폐기물에 관해서는 발전과는 거리가 멀다는 것을 보여준다. "우리의 결과는 대부분의 SMR 설계가 핵폐기물의 부피를 2~30배 증가시킬 것임을 보여준다"라고 Krall은 말했다. "이는 이러한 새로운 원자력 기술의 지지자들이 언급한 비용 및 처리 이점과 완전히 대조적이다.“

따라서 저렴한 전기와 더 적은 핵폐기물 대신에, 소형 모듈형 원자로는 더 많은 비용과 더 많은 핵폐기물을 수반할 수 있다. "사실 우리도 그런 연구를 해서는 안 된다. 판매자와 그런 유형의 원자로를 개발하고 자금을 모으는 사람들은 핵폐기물을 처리하고 결과를 공개해야 한다"라고 Ewing은 말했다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; doi: 10.1073/pnas.2111833119)
출처: Stanford University, PNAS

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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