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- 현재 개발 중인 4세대 원자력 발전소 유형은 이른바 용융염 원자로이다.
- 장점 중 하나는 원자로 내부 압력 비교적 낮게 유지돼 안전 위험을 크게 줄일 수 있어
- 현재 가장 유망한 냉각제는 불화리튬과 불화베릴륨(FLiBe) 염을 같은 비율로 혼합한 것
- 용융염 반응기를 증식 반응기로 사용할 수도 있다. 이를 위해 토륨-232가 연료에 추가

용융염 원자로
높은 보안성과 증식 매체로서의 토륨

현재 개발 중인 4세대 원자력 발전소 유형은 이른바 용융염 원자로이다. 이들은 일반적으로 사용되는 물 대신 용융염을 냉각제로 사용한다. 이것의 장점 중 하나는 원자로 내부의 압력이 비교적 낮게 유지되어 안전 위험을 크게 줄일 수 있다는 것이다. 

▲ 액체 리튬 베릴륨 플루오라이드는 거의 투명하다. 첨가된 사불화우라늄은 가시적인 녹색을 띠게 한다. © gemeinfrei

가압 또는 끓는 경수로에서 MAU가 발생하는 경우 오염된 물이 갑자기 방출돼 해당 지역에서 가장 높은 수준의 방사선 노출이 발생한다. 예를 들어, 2011년 후쿠시마 원전 사고에서 뜨거운 수증기에서 형성된 수소 폭발로 여러 원자로 건물이 파괴되어 오염된 물질이 환경으로 방출되었다.

용융염은 많은 이점을 제공한다.

이를 방지하기 위해 용융염 원자로에서 연료와 냉각수가 결합된다. 기존 원자로와 마찬가지로 우라늄-235가 주로 연료로 사용된다. 또한 핵무기가 폐기될 때 생성되는 무기급 플루토늄-239도 추진제로 사용할 수 있다. 그러나 연료봉에 사용하는 것과 달리 방사성 물질은 산화물로 냉각제에 직접 첨가되지 않고 불소 또는 염화물 염으로 첨가된다.

현재 가장 유망한 냉각제는 불화리튬과 불화베릴륨(FLiBe) 염을 같은 비율로 혼합한 것이다. 장점 중 하나는 녹는점이 섭씨 459도라는 비교적 낮은 점이다. 이는 냉각수가 회로의 중요한 지점에서 결정화되어 흐름을 방해할 위험을 줄인다. 또 다른 유리한 특성은 섭씨 약 1천도에서도 급격한 팽창의 위험을 최소화하는 재료의 낮은 증기압이다.

용융염의 근본적인 문제는 부식 효과가 높아 주변 물질을 공격한다는 것. FLiBe는 결정적인 이점을 제공해야 한다. 베릴륨을 추가하면 용융염의 산화환원 전위가 낮아져 부식 영향이 거의 완전히 제거된다. 또한 냉각수의 좋은 장점은 액체 상태일 때 투명하여 오염 물질을 모니터링할 수 있다는 것이다. 

▲ 용융염과 연료의 혼합물은 반응기 챔버(좌측 상단)에서 첫 번째 열 교환기로 보내진다. 열은 최종적으로 두 번째 용융염 회로를 통해 세 번째 시스템으로 전도되어 전기로 변환된다. 과열이 발생하면 수동 안전 밸브(왼쪽 하단)가 녹아 연료가 배출된다. ©gemeinfrei

터빈까지의 다중 회로

기본적으로 용융염 반응기는 여러 회로로 구성된다. 첫 번째는 흑연 제어봉 주위를 흐르는 연료와 냉각수의 혼합물을 포함한다. 이들은 감속재로 사용되며 기존 원자로와 유사하게 유연하게 제거할 수 있다.

첫 번째 열 교환기에서 반응 혼합물은 에너지를 두 번째 액체 염 회로로 전달한다. 이것은 연료를 포함하지 않고 격리실 내부에 있다. 이는 열교환기 누출로 인한 오염 가능성을 방지하기 위한 것이다. 두 번째 냉각 회로는 생성된 열을 증기 발생기로 전달하여 전기를 생산한다.

패시브 밸브를 통한 안전

용융염 원자로는 높은 수준의 안전성 때문에 SMR로 특히 적합하다. 기존의 가압경수로는 비상시에 개입할 수 있어야 하는 지속적인 모니터링과 훈련된 안전 요원이 필요하다. 가장 파괴적인 사건 중 하나인 멜트다운은 노심이 이미 액체이기 때문에 용융염 원자로에서 발생할 수 없다.

그럼에도 불구하고 여기에서도 과열이 발생할 수 있다. 이 경우 반응 회로에는 온도가 너무 높으면 녹아서 방사성 혼합물을 여러 냉각 용기로 보내는 수냉식 밸브가 있다. 이들은 너무 커서 임계 질량이 발생할 수 없다. 그런 다음 응고된 염을 안전하게 폐기할 수 있다.

토륨으로 증식

또한, 용융염 반응기를 증식 반응기로 사용할 수도 있다. 이를 위해 토륨-232가 연료에 추가된다. 중성자 포획 후, 베타 붕괴는 프로탁티늄-233으로 붕괴되고, 이는 차례로 핵분열성 우라늄-233으로 붕괴된다. 토륨은 우라늄보다 풍부하고 붕괴하여 초우라늄 원소를 적게 생성하므로 수명이 긴 핵폐기물이 적다는 이점을 제공한다.

LFTR(액체 불화물 토륨 원자로)로도 알려진 증식 과정의 단점은 우라늄-233의 위험이다. 이는 핵무기에 가장 적합한 물질로 간주되며 무기급 플루토늄보다 다루기가 훨씬 쉽다. 상대적으로 순수한 우라늄-233도 프로탁티늄-233의 연속적인 분리를 통해 LFTR에서 생산될 수 있으며, 이는 원자로의 효율을 증가시킨다. 예를 들어 우라늄-238과 같은 연료의 표적 오염은 이러한 위험을 부분적으로 줄일 수 있다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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