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2019년 1월 7일 (월) 20:07 판
용융염 원자로(Molten Salt Reactor, MSR)는 1차 냉각 계통으로 용융염을 사용하는 원자로 유형으로, 용융염의 낮은 증기압과 안정성, 그리고 액체 나트륨보다 반응성이 낮으며, 또한 고열을 뽑아낼 수 있어 높은 열효율을 보여주는데, 이 원자로에서 사용하는 핵연료는 두가지 방식을 사용할수 있다. 일반적인 원자로에서 사용하던 고체 연료봉 아님, 용융염에 녹여서 같이 굴려먹거나... 이렇게 하면 연료 집합체가 사라져 원자로 구조도 간소화되고 연소도의 균일화[1]와 더불어 원자로 작동중에서도 재처리[2]를 할수 있게 된다.
많은 용융염 원자로의 디자인에서 연료를 UF4형태로 녹인후 용융된 불소염 화합물에 집어넣고 감속재 역할을 하는 흑연 노심에서 이를 임계화 시킨다. 용융염은 노심에서 열을 빼내는 데 효과적일 뿐 아니라, 펌프와 파이프, 그리고 노심의 크기를 줄여 크기를 대폭 줄일 수 있다.
용융염 원자로는 사실 1954년 실행된 항공기 원자로 실험에서 영감을 얻은(...) 작은 크기의 디자인을 발전시킨 것이라 노심이 작다. 그래서 토륨 사이클을 돌리기에 적당한 원자로로 여겨지고 있다. 최근에는 에너지 증폭기(energy amplifier)란 괴랄한 생각까지 떠도는데, 용융염 원자로에다가 양성자 빔을 갖다 붙여놓고 토륨 사이클을 굴려버린다는 구상까지 떠돌고 있다. 또한, IMSR(Integrated MSR)이라고 하는 것도 진행중인데, 말 그대로 7년동안 쭈욱 한 원자로만 사용해서 전력을 생산하고난후 버려버리는 방식이다.
역사
항공기 원자로 실험
포괄적인 용융염로 실험은 미국의 항공기 원자로 실험에서 시작되었다. 이 실험에선 높은 출력밀도를 가진 2.5MWth의 원자로를 디자인하여 원자력 비행기의 연료로 사용하려고 하였다. 이 계획에선 여러 실험들을 내놓았는데, 그중 열 운반 원자로 실험들로, 그중 하나가 녹은 불소염(NaF-ZrF4-UF4, 53-41-6 mol)을 연료로 쓴것이 있었는데, 이것은 베릴륨 산화물(BeO)를 감속재로 썼으며, 2차 냉각계통으로 액체 나트륨을 사용했다. 이 원자로의 최대 온도는 860도까지 올라갔으며, 1954년에 1000시간을 가동했다. 이 실험에선 인코넬 600 합금을 가지고 금속 구조물과 파이프를 만들었다.
용융염로 실험
그후 오크리지 국립 연구소에선 1960년대에 실험을 했었는데, 여기서는 7.4MWth출력의 원자로를 가지고 토륨증식로에 대한 기술적인 점들을 실험했다.여기에선 우라늄과 플루토늄이 용융된 연료를 사용하였다. 이 실험에서 233UF4을 이용한 토륨 연료주기의 경우 방사성 폐기물도 적고, 반감기도 50년 이내인점을 밝혀내었다.
기술적 논쟁
기술적 장점
이 장점들은 웨인버그와 오크리지 국립 연구소의 연구에서 인용하였다.
- 가동과 유지에 안전하다 : 녹은 불소염은 1기압 상태에서 방사능과 높은 열에도 불구하고 기계적으로나 화학적으로나 안정상태에 머물러 있다. 용융염은 핵분열 잔재물로 생긴 이온이 포함되어 있는데, 이것들은 순환중에 제거할 수 있다. 심지어 펌프실의 연료가 냉각되거나 분산될 때 발생되는 Xe-135같은 방사성 불활성기체 같은 경우도 예측되어 있으며, 격리시킬 수 있다. 심지어 사고 시에도, 용융염은 물이나 공기 중에서 타지 않으며, 용융염에 포함된 악티늄족과 방사성을 지닌 핵분열성물질도 물에 녹지 않는다.
- 노심에 고압증기가 있을 필요가 없다. 이 뜻은 용융염 원자로의 경우 증기폭발이 일어나지 않으며, 경수로처럼 고압증기로 인한 비용이 들어가지 않는다. 게다가 용융염로는 노심과 파이프를 만들 때 두꺼운 판으로 만든다. 여기에 쓰이는 금속은 열과 부식에 견디는 하스톨로이-N과 같은 신형 니켈합금으로, 너무 두텁게 만들지 않아도 상관없으며, 얇은 금속은 모양을 만들 때나 용접할 때 그리 비용이 들지 않는다.
- 토륨 증식로의 경우, 경수로와 비슷하게 에너지가 적은 열 중성자를 사용한다. 이점은 우라늄과 플루토늄을 연료로 사용하는 고속 증식로보다 더 안전하다는 점이다. 토륨 연료주기는 안전한 원자로와, 풍부한 연료, 그리고 비싼 연료 농축 설비가 필요없다는 장점이 있다.
- 용융염로는 일반 경수로보다 더 높은 온도로 동작한다. 용융염 실험로와 관련된 실험에서는 650도를 기록하였으며, 실험하지 않은 디자인에서는 950도도 가능하였다. 고로 높은 열효율을 가진 가스 터빈 발전기가 가능하게 된다. 용융염 원자로를 4세대 원자로에 넣기도 하는데, 그 이유는 연료에서 높은 열효율을 얻어낼 수 있다는 점, 폐기물의 방출, 보조장치에 들어가는 비용의 50%가 줄어든다는 점 등이 있다.
- 용융염로는 작은 크기뿐만 아니라, 큰 크기로도 만들 수 있다. 이런 점을 가지고 유용하게 몇몇 개의 조그만 원자로(100 MWe정도의 출력)를 가진 발전소를 만들어, 예산의 지출과 사업적 위험도를 줄일 수 있다.
- 용융염 원자로는 실험로를 더 만들 필요가 없으며, 새로운 과학기술, 공학적 문제, 모듈 문제 같은 문제가 예전에 해결되었기 때문에 필요가 없다.
- 새로운 원자로 디자인에서 연료의 공학적 안정성 확보에는 시간이 많이 걸린다. 새로운 원자로 디자인에서 일반적으로 약 10년 이상을 소비해야 하는 데 비해, 용융염 원자로의 경우 예전에 확인을 하였으며, 개발속도도 빠르게 진행할 수 있다.
기술적 단점
- 토륨 증식로에서는 233Pa을 블랭킷에서 제거해야 되는데, 233Pa은 베타붕괴를 일으켜 233U이 되는데, 233U에서 중성자를 흡수하게 되면 234U로 변하게 된다. 234U는 무기로 사용할 수 있다는 문제가 있다.
- 233U은 232U가 약간 포함되어 있는데, 이 232U는 강력한 감마선을 방사하며 208Tl로 붕괴한다. 이때 감마선은 전자에 간섭하여, 핵무기를 만드는데 어렵게 만들어버린다. U-232를 제거하기 위해 동위원소 분리를 하면 매우 어렵다. 만약 우라늄이 토륨과 다른 물질과 같이 있다면, 방사능으로 인해 초기보다 더 줄어들며, 반감기 2년짜리 228Th과 짧은 반감기를 가진 토륨 계열로 변화된다. 그러나 천연 우라늄을 농축하는 농축기술로 인해서 핵무기를 만드는 쉬운 길이 될 것이다.
일반 경수로와의 비교
용융염로는 용융염이 분열 생성물을 화학적으로 잡아놓고 있으며, 물이나 공기중에서 타지 않는다. 노심과 1차 냉각계통은 대기압과 비슷한 압력으로 순환되며, 증기도 없는지라 증기폭발 우려가 없으며, 이 분열 생성물들은 방사능 물질들을 다 잡아놓는다. 또한 연료 자체가 액체인지라 멜트다운도 없지만, 용융염이 누출되게 된다면, 수동적인 냉각 공간으로 빠지게 디자인 되어 있다.
몇몇 종류의 용융염로는 노심과 1차 계통은 압력이 낮으며, 얇은 재질로 건설가능해 가격도 싸고 비싼 용접을 하지 않아도 된다. 그래서 두꺼운 압력용기를 쓰는 일반 경수로보다 더 가격이 싸다는 장점이 있다. 또한 몇몇종류의 용융염을 연료로 사용하는 토륨 증식로는 메가와트대비 핵분열성 물질이 다른 원자로에 비해 매우 적으며, 농축공정이나 연료집합체를 사용할 필요가 없어서 가격적으로도 경쟁력이 있다. 또한 높은온도로 가동할 수 있기 때문에, 높은 경제성과 수소를 생산하거나 다른 화학적 반응에도 사용할 수 있다. 이런 점 때문에 용융염로는 4세대 원자로중에 포함되었다.