용융염 원자로

1. 개요2. 특징3. 장점4. 단점5. 액화 불화염 토륨 원자로6. 연구 현황7. 국가별 추진 상황

1. 개요

용융염 원자로(Molten Salt Reactor, MSR)는 용융염을 냉각제로 사용하는 원자로 유형이다.

2. 특징

통상적 원자로는 분열성 물질을 함유한 핵연료는 핵연료봉 등 따로 핵연료 용기에 수용하고 핵연료에서 핵분열로 발생한 열을 흡수해 터빈으로 전달하기 위해 경수(물)나 중수, 금속 소듐(나트륨), 납, 헬륨, 이산화탄소 등 다양한 액체나 기체를 순환시켜 열전달 냉각재로 쓴다. 그런데 용융염 원자로는 녹는 온도가 매우 높은 액체상태의 화학적 염(salt)에 우라늄 토륨 등 핵분열성 물질을 물리적으로 녹여서 섞어서 핵분열을 일으키고 분열성 물질을 함유한 고온의 액체 상태로 냉각재로 증발기 등에 순환시킨다 즉 핵연료를 녹인 액체 상태의 용융염이 경수 대신 순환 냉각재를 겸하는 것이다.

통상적 원자로에서 이용되는 경수와 중수는 우수한 감속재 이지만 이런 용융염은 감속성능이 낮으므로 따로 흑연 등 구조적 감속재로 둘러싸서 중성자를 감속시킨 열중성자를 주로 이용하는 방식이 있고 중성자 반사재로 감싸 중성자를 감속하지 않고 소듐 고속로처럼 고속 중성자로 핵연료 증식이나 핵폐기물 소각에 이용하는 방식이 있다.

용융염은 대부분 리튬-베릴륨 또는 나트륨의 불소염(floride)이나 염소염(chloride)을 주로 쓴다. 리튬은 원자량이 낮아 가벼운 고속중성자와 충돌시 중성자의 운동에너지가 리튬에 비교적 잘 전달되어 비교적 감속성능이 높다. 나트륨은 감속율이 낮고 중성자 흡수율이 낮아 고속중성자를 이용하는 증식로나 소각로에 쓰인다. 리튬불화염은 녹는 온도가 다소 높기 때문에 녹는 온도를 낮추기 위해 불화베릴륨을 혼합해 쓴다. 베릴륨은 비싸고 독성이 있지만 역시 가벼운 금속이라 감속성능이 리튬과 비슷하고 리튬 불소염은 분자량이 작아 경수나 중수 또는 흑연보다는 못하지만 다소 감속재 역할을 할 수 있다. 물론 가장 중성자와 비슷한 질량을 가진 수소를 함유한 물 보다는 감속성능이 떨어진다. 열중성자/고속중성자에 대한 중성자 단면적이 적어 중성자 흡수율이 낮다. 납도 녹는 온도가 낮아서 납 액체금속에 분열성 물질은 녹인 형태로 쓰이는 데 이는 주로 증식로에 이용되는 방식이다. 납의 염화물도 용융염으로 쓰일 수 있다.

상온에서는 고체지만 30% 정도 베릴륨 불소염을 섞어 쓰면 섭씨 450 도 정도에서 녹고 끓은 점은 1400 도가 넘는데 용융염 원자로에서는 600-1000 정도 사이에서 사용한다. 고온에서 운전하면 열효율이 좋아지지만 용융염을 담을 스테인레스 용기가 그 열을 견뎌야 하는데 기존에 원자력 용으로 허가된 스테인레스 재료는 대체로 600 도 정도까지만 사용을 허가받았다. 700 도 이상이되면 스텐인레스 성분 중 크롬이 녹아 나오는 문제가 있다. 현재는 더 고온에 강한 합금강도 상당히 있지만 아직 원자로 재료로 검증 허가받지 못했다.

리튬염의 좋은 점은 부피당 열용량이 큰 편이라 (부피당 열용량이 높기로 꼽히는 물보다 높다) 전체 코어의 크기를 줄일 수 있고 순환시키는 파이프나 펌프의 크기도 줄어든다. 리튬을 사용하면 중성자를 흡수해서 삼중수소 가 생성되는 문제가 있는데 이는 불소와 결합해 부식성도 있고 새어나가가 쉽기 때문에 골치거리이다. 이를 줄이기 위해 리튬-7 동위원소만 분리해 쓴다.

또 용융염을 담는 스텐레스 용기도 장기간 중성자 조사를 받으면 취성이 높아져 열화되기도 하는데 그래서 내부에 중성자를 잘 반사하는 텅스텐으로 내부 라이닝을 해서 중성자 피폭을 줄이기도 한다. 또는 중성자 밀도가 높은 내부 코어를 텅스텐 등 중성자 반사재로 내부 용기로 감싸고 그 주변에는 열과 중성자를 잘 흡수하는 블랭크 층으로 감싸는 이중 용기 순환 구조로 외부의 스텐레스 반응로 용기 자체는 중성자 피폭을 최소화 하는 설계를 하기도 한다. 이렇게 함으로써 금속 벽이 얇은 열교환기 부분이 중성자에 덜 피폭하게 해서 수명을 늘릴 수 있다. 내부 반응로와 외부 블랭크 용기의 냉각재가 같을 필요는 없으므로 외부 냉각재는 용융 납 등 다른 액체금속을 사용할 수도 있다. 또 발전용 터빈을 돌리는 2차 작업유체도 물이나 과열 수증기를 사용하는 것 보다는 수소가 포함되지 않은 초임계 이산화 탄소를 사용하면 삼중수소 발생을 줄이고 삼중수소물은 쉽게 분리되어 포집이 용이하고 열효율도 30% 에서 40%로 10% 포인트 더 높아지는 등 장점이 많다.

열중성자를 이용하는 용융염 원자로의 감속재는 대부분 단일성분인 고순도 흑연 봉이나 블록이 사용된다. 별도의 금속 클래딩이 필요한 다른 감속재 보다 중성자 반사나 흡수도 적고 클래딩 열화나 박리등 구조적 수명 문제가 적다. 다만 흑연도 장기간 중성자 조사를 받고 열 사이클을 반복하면 팽창 수축 이 반복되어 흑연 결정 격자들이 스트레스를 받고 기계적으로 취약 해지는 등 열화되어서 그런 격자결함 스트레스를 풀어주는 주기적 열 어닐링(풀기)이 필요하고 흑연 감속재의 열화가 심해지면 몇 년에 한 번은 전면 교체가 필요할 수도 있어서 이를 감안한 설계가 필요하다.

압력이 낮고 액체라서 다루기 쉬워 상대적으로 안전하다. 액체이고 저압이라는 것은 안전상으로 큰 장점이 있다. 종래의 경수로는 고압의 증기 또는 고압의 물을 사용하기 때문에 사고가 생기면 외부에 누출되기 쉽지만, 용융염은 온도는 높지만 압력은 낮고 누출되어도 액체상태를 유지하기 때문에 대기중이나 노 외부로 유출을 막기 쉽다. 그러므로 경수로 같은 두꺼운 압력용기나 격납건물이 불필요하고 크기가 매우 작아진다.

3. 장점

우라늄로에선 핵반응이 중단되어도 남은 잔류 방사선원소들이 붕괴열을 내므로 며칠간은 계속 냉각해주지 않으면 녹아서 멜트다운이 일어나지만 용융염로는 연료 자체가 이미 녹아있는 상태이므로 멜트다운이 일어날 수 없다. 또 토륨외의 잔류 방사선원소의 비율이 낮아 붕괴열을 따로 냉각할 필요도 없다. 즉 가동중에 전기가 나가 냉각재 순환이 중지되어 운전이 중단되어도 아무 조치도 취하지 않고 걸어나가도 안전하다.

또 저압이므로 압력용기가 두껍지 않아도 되므로 소형의 원자로를 만들기 쉽다. 원래 용융염 원자로는 비행기나 배에 실어 동력원으로 삼으려 개발했기 때문에 노의 크기가 훨씬 작고 무게도 가볍다. 그래서 100 MW 정도의 비교적 소형원자로로도 경제성이 높다. 요즘 수십 MW 급의 소형모듈원자로 (SMR small modular reactor) 에 대한 관심이 크게 늘고 있어 이에 적합한 노형이다.

압력이 낮은 액체라 두터운 압력용기들이 필요없어 크기가 작아져 소규모로 만들 수 있다.
사고시에 과열해도 끓는점 온도가 높아 거품이 생기거나 증발하지 않고 그대로 액체나 고체 상태로 유지되므로 외부로 유출될 염려가 적다. 즉 멜트다운이 발생하지 않는다.
사고시 저압의 액체이므로 쉽게 자동으로 연료가 노심에서 제거되고 특별한 냉각 조치없이 안전하게 열을 제거할 수 있다. 노심에서 빠져나온 용융염은 감속재가 없어서 제어봉 없이도 핵분열이 자동으로 중지되고 방열 면적이 넓은 대피 용기에 담겨 별도 냉각조치를 하지 않아도 자연적 전도와 대류로 붕괴열을 식힐 수 있다.
온도가 높아지면 용융염이 팽창해 분열성 물질의 농도가 낮아져 반응률이 자동으로 저하하여 반응이 정지한다. 즉 음의 온도반응계수를 가지고 있어 런어웨이 위험이 없다.
가동 중에도 연료재장전/보충을 할 수 있으므로 가동중단이 적고 장기간 연속으로 운전할 수 있다. 복잡한 연료교환 설비도 필요없다.
냉각/감속재로 물이나 수증기를 쓰지 않으므로 사고 시에도 화학반응으로 수소가 발생하지 않아 수소폭발의 위험이 없다.
칼슘 요드 세슘 등 위험한 방사선 원소가 불소와 결합 용융염에 녹아서 기화하지 않고 유출되지 않는다. 핵분열을 방해하는 크세논은 가스로 쉽게 회수되어 제어하기 쉬워진다.
근본적으로 안전해 안전설비에 필요한 비용이 적게들고 크기도 작아지므로 건설비가 적게든다. 현대의 경수로는 수많은 안전설비와 허가와 검증에 많은 비용을 들여야 하기 때문에 전력원가가 엄청나게 비싸졌다.
핵연료의 융통성이 크다. 저농축 우라늄은 물론이고 플로토늄 혼합산화물연료, 사용후 핵연료, 토륨 등 다양한 분열성 물질을 핵연료로 사용할 수 있다. 그래서 토륨 원자로 실용화의 유력 모델로 여겨진다.
운전온도가 높아 열효율이 좋고 과열 수증기 대신 헬륨이나 초임계이산화탄소 등 고온의 가스로 가스터빈을 구동할 수 있다.
부피대비 열용량/냉각효율이 높은 우수한 냉각재 이므로 배관이나 순환펌프나 열교환기 크기도 작아진다.
고온의 용융염 자체가 우수한 에너지 저장수단이라 큰 탱크에 단기적으로 저장해 피크타임에 발전 출력을 높일 수 있다.
고온의 염을 따로 순환시켜 산업적 용도에 쓸 수 있다. 예를 들어 수소도 생산할 수 있다.
새로운 핵연료를 생산하는 증식로로는 그렇게 적합하지 않지만 다른 경수로에서 나온 사용후 핵연료같은 핵폐기물을 소모해 안전하게 처리하는 핵폐기물 소각로 역할을 할 수 있다. 물론 고속중성자로 증식로나 소각로 로도 설계할 수도 있다.
규모가 작은 SMR 이나 micro-SMR 등 소규모 원자로를 만들 수 있어 대량양산이 가능해 가격을 낮출 수 있다.

4. 단점

핵연료 및 핵분열생성물을 함유하는 용융염에서 흄(fume)[1]이 발생할 수 있어 이에 대한 대책이 필요하다.
용융염, 특히 할로겐을 포함하는 용융염은 여러 금속의 결정립계면에 부식을 유발하고, 내화물(refractory material)에 대해서도 침식을 일으킬 수 있다. 이는 원자로 용기나 배관의 부식 및 용융염 누출을 유발할 수 있다. 오크리지 연구에서도 용융염을 순환하는 합금 파이프가 침식을 받아 균열이 발생해 대규모 설계나 30년의 수명을 채우기가 어렵다는 점이 지적되었다. 불화용융염로의 경우는 매우 고온에서 운전하므로 원자로와 배관을 열과 불화염의 강한 부식성을 견디는 내열 내식 재료으로 만들어야 한다. 지금까지 실용화가 지연된 주된 원인이 바로 이런 내열성, 내식성, 그리고 수명과 안전을 보장하는 재료의 개발이었다. 단 요즘은 용융염을 사용하는 고온태양열 발전 실용화로 이런 금속이나 세라믹 재료들이 이미 실용화 되어있다. 불화리튬염을 사용하는 중국 TSMR-LF 는 불화물에 내식성이 강한 UNS N10003 하스탤로이 합금을 쓰고 있다. 또 수명과 내구성 문제는 4-7년마다 코어와 1차 루프를 통째로 갈아끼우는 식으로 가격을 낮출 수 있다.
리튬염을 쓰면 리튬이 중성자를 흡수해 방사성기체인 삼중수소가 발생한다. 삼중수소는 기체상태라 밀폐해도 새어나가기 쉽고 방사성 물이 되어 환경에 확산되기도 쉬워 외부 누출을 막기가 어려운 매우 골치아픈 문제이다. 그래서 리튬-7 동위원소만 분리해 써야 한다. 그래서 최근에는 리튬염 보다는 삼중수소 발생이 없는 염화나트륨이나 수산화나트륨등 소듐염을 사용하려는 움직임이 활발하다.
원자로에 투입한 용융염에는 차츰 핵분열 생성물이나 트랜스우라닉 원소와 같은 방사성 핵종이 누적된다. 따라서 용융염을 재사용하기 위해서는 용융염으로부터 상술한 방사성 핵종을 선별적으로 분리해내야 한다. 이 과정이 바로 논란이 많은 "핵재처리" 과정이다.[2] 또한 감마선 등 매우 강력한 방사능 물질을 다루어야 하고 방사능 누출의 위험성이 있을 뿐만 아니라 핵확산 저항성이 낮은 편이다.[3] 즉 용융염 원자로 운용에는 핵재처리 과정이 포함되어야 한다는 것. 이를 회피하기 위해 원자로 자체에서는 아예 재처리를 하지 않고 분열성 물질이 소모되고 부산물의 농도가 높아진 사용된 연료 용융염 전체 또는 일부를 빼어내고 분열성 물질 농도가 높은 새로운 용융염으로 채워넣거나 보충하는 방식도 있지만 그만큼 연료이용 효율이 떨어진다.
노의 내부 온도가 섭씨 300도-600도 이하로 낮아지면 염이 고화해서 굳으므로 굳지않도록 가동정지시에 1차 루프 전체를 가열하고 온도를 유지할 수단이 필요하다. 출력 조절 등 일시적 이유로 온도가 낮아져 단시간의 온도 유지를 할 필요가 있으면 1차 루프를 전열선 등으로 가열해 온도를 유지할 수 있지만 사고나 점검 등 장시간 가동중지로 온도가 낮아지거나 또는 이상 과열 등 사고로 온도가 높아지는 경우에는 별도의 용융염 대피 저장탱크로 용융염을 빼내서 필요에 따라 전기로 가열해 온도를 유지해 액체 상태를 유지하거나 (재가동시에는 펌프로 다시 반응로에 주입) 또는 자연 대류로 냉각시켜 고체화 시켜 안전하게 장기 보관할 수 있다.

문제는 현재 미국의 원자력 규제기관인 NRC에서는 액체상의 핵연료는 충분히 검증되지 않았다는 이유로 상업적 운전을 금지하고 있어 개정이 필요하고 허가를 얻으려면 많은 시간과 돈과 노력이 들어갈 것이고 (10억 달러+10년 예상) 또 새로운 방식이므로 많은 연구개발도 필요하고 부품이나 시설도 새로 개발 실용화해야하므로 초기에는 기존의 경수로보다 비쌀 수밖에 없다. 그래서 실용화가 부진하다.[4] 누군가가 먼저 허가 선례만 만들면 LFTR 등의 개발이 크게 촉진될 것이다.

5. 액화 불화염 토륨 원자로

용융염 원자로(MSR, Molten Salt Reactor)의 일종으로 액화 불화염 토륨 원자로(LFTR, Liquid fluoride thorium reactor)라고 불리는 노형.

원자로 내에는 감속재로 흑연을 채우고 핵연료인 토륨을 액체상태의 불소화화물로 만들어 순환시켜 핵반응시키고 고온 상압의 액체상태로 열교환기를 순환한다. 흑연이 핵분열을 억제하는 제어봉 역할을 하는 게 아니고 핵분열을 촉진하는 역할을 하므로 용융염 액은 노 내부에서만 핵반응을 하고 노에서 빼내면 감속재가 없으므로 반응이 저절로 중지된다. 또 비등점이 매우 높아 기포가 생기지 않고 강한 음의 반응계수를 가지고 있어 800도 정도에 이르면 저절로 핵분열이 중지된다.

토륨로의 단점으로 핵종분리 등 재처리가 필요할 수 있고 다단계의 복잡한 과정이 필요한데 2가지 액체방식 (two fluild)으로 코어 액체와 블랭킷 액체를 분리해 재처리 과정을 크게 간략하게 할 수 있다. 즉 블랭크 액체가 중성자를 흡수해 핵연료로 전환되면 간단한 재처리로 핵연료만 분리할 수 있고 그 분리된 핵연료는 따로 에너지를 내는 코어액체에서 핵연료로 사용하면 코어 액체는 따로 재저리하지 않아도 된다. ~~저농축 우라늄도 MSR 용융염로의 연료로 사용할 수 있지만 불화우라늄은 가스상태라 다소 처리과정이 복잡해진다.~~[5] 삼중수소도 발생하는데 이를 유출되지 않도록 잘 분리해야 한다.

6. 연구 현황

용융염 토륨로 자체가 일종의 증식로이지만 특히 고속중성자를 이용해 증식효율을 높이거나 소각효율을 높인 용융염 고속로 방식도 있다 (Fast-spectrum MSR) . 흑연 등 감속재를 거의 사용하지 않고 중성자 반사재와 용융염을 저율감속재로 사용해 노의 구조설계로 증식반응을 조절하는 것으로 1970년대 오크리지 연구소에서 연구한 바도 있고 여러 장점이 많아 궁극적인 토륨 원자로 형태로 제시되기도 한다. 대표적인 예로 MCSFR(molten chloride salt fast reactor)으로 감속재를 쓰지않는 고속로이면서 융용염으로 불화염이 아닌 염소염인 염화나트륨(즉 소금)을 쓰고 있다. 핵연료에 융통성이 커서 우라늄 대신 토륨을 연료를 쓰기에도 적합하고 경수로등에서 나온 사용후핵연료를 안전하게 소각하는 데 중점을 둘 수 있다. 무엇보다 기계적으로 불안정하고 비싼 고순도 흑연을 제거함으로서 반응변수를 제거하고 구조를 간략화할 수 있다. 거의 임계점 부근에서 가동하고 반응조절수단으로 온도를 사용하여 스팀을 많이 발생시켜 온도가 떨어지면 자동으로 반응이 증가하고 발전을 중지하면 온도가 올라가 반응이 중지된다. 펌프가 중지되면 염의 수위가 내려가 반응이 중지된다.

염소는 원자량이 높아 리튬보다 중성자 감속이 덜하고 나트륨은 고속중성자 흡수률이 낮아 고속로 방식에 적합하며 중수소의 발생이 없고 염소염은 불소염보다 부식성이 낮고 염화나트륨은 불화리튬보다 물성이 잘알려져 안전하지만 녹는 온도가 다소높아 용해점을 낮추거나 용기재료의 연구가 필요하다. 또 불소는 우라늄과의 불소화합물이 기체상태인데 우라늄의 염화물은 대체로 고체나 액체 상태라 상대적으로 다루기 쉽다. 다만 일반 염화나트륨을 쓸 수 있는 건 아니고 염소의 동위원소를 분리해 Cl-37만 사용해야 한다. Cl-35는 중성자를 흡수하면 장수명 방상선 동위원소 Cl-36을 생성해 폐기하기 어려워진다. 따라서 용융염 생산 비용이 상대적으로 비싸지기 쉽다. 오크리지 용융염 원자로 실험 당시에는 동위원소 분리가 매우 비싸서 경제성이 떨어져 리튬염을 사용하였지만 현재는 원심분리 방식으로 훨씬 싸졌다.

염화나트륨 외에도 수산화나트륨(NaOH)도 냉각재로 사용할 수 있다. 염화나트륨 보다는 중성자 감속도가 크지만 용융점이 323도 정도로 염화나트륨보다 훨씬 낮아서 더 저온에서 운전할 수 있어서 연구되고 있다. 또는 염화나트륨과 수산화나트륨 10% 정도의 혼합물도 용융점을 320도 정도로 크게 낮출 수 있고 잠열도 적어서 냉각재로서 양쪽의 장점을 취할 수 있어서 연구가 되고 있다. 다만 염화나트륨이나 수산화나트륨의 열용량은 물에 비해 크게 낮은 편이다.

이런 소각로는 사용후핵연료(고준위핵폐기물)을 위험하고 비싼 재처리를 하지 않고 연료로 재활용할 수 있다. 연료봉을 기계적으로 잘라서 녹인 후 화학적 분리없이 필터링만 한 후 재활용해 금지된 재처리로 여겨지않는다. 이런 재활용도 보관중인 핵폐기물 보관량 파악이 어려워진다는 반대론도 있지만 위험한 폐기물을 막대한 량을 계속 보관하는 것보다는 소모해 줄이는 것이 더 안전하다.

특히 일반적 1 GW 짜리 경수로의 경우 농축우라늄 연료를 연간 7.33 톤 정도 소모하는데 이를 위해서는농축과정에서 55.668 톤 정도의 비분열성 열화우라늄 폐기물이 생성된다. 이 열화우라늄을 blank로 중성자를 조사해 핵연료로 증식하면 우라늄의 이용률을 크게 높일 수 있다.

최근에는 용융염 자체에는 분열성 물질을 함유하지 않고 불화 용융염을 단지 1차 열교환/냉각 매체로만 사용하는 하이브리드 식도 제안되고 있다. 즉 일반 가압 경수로처럼 따로 정적인 연료봉을 사용하고 다만 가압경수 대신 용융염을 액체상태로 순환시킨다는 것이다. 이것으로 액체 핵연료 논란을 피할 수 있고 기존의 경수로 기술도 활용할 수 있다. 수백기압의 고압이 아닌 대기압에서 가동시킬 수 있다는 장점을 살릴 수 있다. 다만 연속 운전이나 안전성 등 일부 LFTR 의 장점을 포기해야 하는데 이는 일부 토륨로도 어차피 정기적 흑연코어 교체가 필요해 연속운전에 제한이 있어서 중대한 문제는 아닐 수도 있다. 아직은 어느 방식이 상용화에 가장 적합한 방식인지 논란이 많아 더 많은 연구가 필요하다.

위에서 보는 바와 같이 용융염로나 토륨로는 다양한 형태의 노형이 제시되고 있고 많은 연구가 필요한 단계이다. 아직 어느 노형이 뚜렷이 두각을 나타내지 않고 있고 백가쟁명의 시대이다. 한국도 세계적 추세에 맞추어 이에대한 연구와 개발을 늘리는 것이 시의적절한 방향이다.

용융염 토륨로는 6가지 4세대 원전의 노형의 하나로 선정되어 여러나라에서 활발하게 연구중이다.

이러한 제 4세대 원전 또는 소형모듈원자로는 농축 우라늄을 연료로 사용하거나 적어도 초기에 증식을 위해서는 농축 우라늄을 사용할 필요가 있는데 이를 위해 일반 경수로보다 훨씬 농축도가 높은 우라늄을 사용하는 경우가 많다. 현재의 일반적인 3세대 경수로는 보통 4.5% 등 5% 미만의 우라늄을 사용한다. 보통 농축도 20% 미만의 우라늄을 저농축 우라늄(LEU Low-enriched uranium) 이라고 부르지만 제 4세대 원전들은 19.5% 정도의 훨씬 높은 농축도를 가진 우라늄을 주연료나 초기 연료로 사용하는 경우가 많고 이를 HALEU(High Assay Low-enriched uranium)라고 한다. 즉 일반 경수로용 우라늄 보다는 농축도가 훨씬 높지만 핵무기 제조에는 쓸 수 없는 농축우라늄이다. 현재는 핵잠수함 등 군사용이나 연구로 등에서 일부 소량만 생산될 뿐이라 상용 원자로에 연료로 이용하기는 어렵다. 그래서 미국에서는 4세대 원전과 SMR 원자로 등의 연구와 상용화를 촉진하기 위해 이런 HALEU 를 상업적으로 생산하는 공장을 건설하고 있다. 핵연료 시장 점유율 1위의 러시아도 SMR 용의 20% 농축도의 상업용 HALEU 농축 시설을 건설중이다. 현재는 소형모듈원자로(SMR) 등 차세대 원전의 연료인 고순도저농축우라늄(HALEU)는 러시아가 독점하고 있지만 # 미국과 영국도 2024년 1월 HALEU의 자국내 생산을 위한 컨소시엄을 구성하는 등 상업적 생산준비에 나서고 있다. 이는 소형모듈화 원자로의 개발과 이용을 촉진하기 위한 중요한 인프라이다.

HALEU 핵연료는 같은 부피와 무게에 일반 4.5% 짜리 경수로 핵연료보다 4-5배의 핵분열 물질인 U235가 들어있어서 원자로 코어의 크기가 줄어들고 연료 교체 주기도 훨씬 늘어날 수 있고 또 교체 필요한 농축도 까지의 차이가 커서 (경수로는 연료가 소모되어 농축도가 1% 이하로 떨어지면 교체해야 한다) 핵연료 이용효율도 크게 높아진다. 또한 연료로 쓰이는 분열성 물질 비중이 높으므로 핵연료에 포함되는 비분열성인 U238 의 양도 적어져 같은 전력을 생산하는데 생성되는 사용후 연료 (고준위 핵폐기물)도 1/5 로 크게 줄어든다.

러시아에서 생산되는 우라늄 원광은 6% 밖에 안되지만 러시아는 경제성이 뛰어난 고속원심분리 방식과 낮은 에너지/전력 원가 등으로 서방제 농축우라늄보다 월등히 싼 가격으로 팔고 있어 경쟁력이 높다. 현재 러시아의 농축우라늄 핵연료의 세계 시장점유율은 46% 가량으로 세계 1위이다. 그다음은 영국 프랑스 중국 등 순서. 현재 미국과 유럽도 핵연료 수요의 25%-20%를 러시아에 의존하고 있고 우크라 전쟁으로 러시아산 석유 가스 수출을 제재하고있지만 핵연료의 세계시장에서 워낙 러시아의 점유율이 높아 감히 수출은 제재할 엄두를 내지 못하고 있다. 핵연료를 100% 해외수입에 의존하는 한국 원자력 발전소들도 러시아산 핵연료를 많이 (33% 가량) 쓰고 있다.

7. 국가별 추진 상황

중국이 2011년부터 간쑤성의 우웨이에 건설해온 2MW 규모의 소규모 원형로(TMSR prototype) 토륨 용융염 원자로의 공사가 마무리 돼서 빠르면 2021년 9월부터 시험가동에 들어간다고 한다. 원자로는 다량의 냉각수를 필요로 하기 때문에 바닷가나 강가에만 건설이 가능했는데, 용융염 원자로는 이런 제약에서 자유로워서 내륙의 사막지대인 간쑤성에도 건설할 수 있었다고 한다. 기사 중국은 2030년까지 100 MW 상업로를 건설할 예정이다. 이규모는 통상 경수로의 1/10 이하의 작은 규모이고 소형 모듈식 원자로의 범위에 드는 규모이다.

이 MSR 원형로는 TMSR-LF1 (液态燃料钍基熔盐实验堆)이라고 불리며 열출력은 2 MWt , 건설비는 30억 위안 (4억5천만 달러) 2018년 건설을 시작해 3년만에 완공, 2023년 10월 임계점에 도달했다. 연료는 19.75%의 고순도 저농축 우라늄(HALEU)지만 토륨 혼합연료를 연료사이클 검증을 위해 시험하고 있다. 냉각재는 불화리튬베릴륨 [6], 감속재는 흑연을 사용하는 열중성자 원자로. 운전온도는 650 °C. 반응로 재료 UNS N10003 불화물 내식성 하스탤로이 합금. 연료염과 냉각염을 따로 사용하는 방식으로 비상시 연료염을 중력으로 빼내거나 자연냉각에 의존한다. 운전정지 중 온도유지를 위해 따로 히터를 사용하다. 10년 가동 목표. 차기 계획은 2025년 열출력 60 MWt (운전온도 700도) 초임계 이산화탄소 가스터빈을 이용한 10MW 발전, 상업로는 2030년 100 MWe급의 상업로 건설이 목표이다.

상업로가 완성된다면 세계 최초의 상업적 토륨로/용융염 원자로가 되어 원전 기술의 큰 혁신을 이룰 수 있다. 이는 상업적 발전을 목표로 하는 세계 최초의 제 4세대 원자로이고 서구에 뒤지던 중국 원자력 기술이 세계적 수준에 이르렀음을 알리는 성과이다. 이 방식은 핵확산의 위험도 적어 중국은 일대일로 참여 중인 제3세계 후진국 등 해외에도 이 방식의 원자로를 적극적으로 수출하여 중국의 국제적 입지를 강화하려하고 있다. 미국 등도 1950년대에 이런 MSR을 세계 최초로 개발했지만 서방에서는 원자력에 대한 규제가 심해 새로운 방식의 원자로를 허가받기 어려워 상업화에 이르지 못했지만 중국은 국가 주도로 개발이 이루어져 그런 허가를 얻기 쉽기 때문이다.

중국국영조선공사(China State Shipbuilding Corporation) 는 2023년 말 토륨 융용염원자로를 사용한 24,000 TEU 규모의 초대형 컨테이너선에 개발계획을 발표했다. 전시회에 공개한 KUN-24AP의 조감도에 의하면 길이 400m, 폭 40m, 높이 20m의 규모이다. 원자력 컨테이너선은 연료비나 출력을 아낄 필요가 적어 통상적 경제적 운항속도인 19-25노트 보다 훨씬 고속으로 운항할 수 있어 해상수송 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 일부에서는 중국해군의 원자력추진 항공모함 보유 야망와 관련이 있다고 보고있다.

중국해군은 네 번 째 항공모함을 11만 톤급의 수퍼캐리어로 계획중인데 핵추진과 전기캐터필터와 지향성 에너지 무기의 동력원으로 두 대의 용용염 원자로를 채용할 계획이다. 이는 용융염 원자로는 세계최초의 실용화 사례가 될 것이다.

2021년 한국 원자력연구원도 삼성중공업과 함께 선박용의 소형 모듈형 용융염원자로 연구개발에 들어가기로 했다. ## 2023 년에는 70 MW 급(축출력) 의 해양용 선박 탑재용 소형모듈원자로(SMR) 개발 에 착수했는데 공식발표는 아니지만 용융염 원자로 (MSR) 방식으로 개발하는 것으로 추정된다. 해양발전선 또는 초대형 컨테이너(VLCC) 엔진 등에 쓰일 수 있는 규모이다. 한국해군이 개발을 추진 중인 핵추진잠수함 용이라는 의혹도 있지만 해군은 이를 부인하고 있다.

한편 삼성중공업은 덴마크의 Seaborg 사의 CMSR 해상발전선 사업에도 협력하고 있다. 이 방식은 연료와 감속재 등 코어와 1차 열교환기와 용융염 배출탱크 등 원자로 주요부가 완전밀봉된 원자로 용기에 들어있다. 연료 용융염은 우라늄을 녹인 불화염으로 순환하며 1차 열교환기에 열을 전달하는 냉각재를 겸한다. 운전온도는 650도. 이런 융용염 파이프가 액체감속재가 가득 찬 탱크를 통과하고 있다. 감속재로 경수나 중수나 흑연이 아닌 고온의 용융 수산화나트륨(NaOH)이 사용하는 점이 특이하다. 우라늄의 농축도는 19.75%. 주요부는 20피트 컨테이너 크기 정도, 무게 50톤. 방사능 없는 비방사성 염만 2차 열교환기 사이에 순환한다. 원자로 1 기당 100 MW 출력을 낼 수 있고 길이 100-300미터의 발전선 1 척 당 2-8 기의 원자로를 설치할 수 있다. 핵연료 수명은 12년이고 2기를 교대로 가동하면 24년간 가동할 수도 있다. 그후 연료가 다 소모된 핵폐기물이 든 원자로 주요부를 건전지처럼 통채로 갈아치우는 방식이다. 소모된 주요부는 통채로 폐기하거나 다른 곳에서 핵폐기물을 재처리 할 수 있다. 원자로 주요부가 밀봉되어 있고 재처리를 하지 않아 핵확산의 위험이 적다. 태국이 이 발전선 주문에 관심을 보이고 있다.

현재 국내에서 연구되는 용융염 원자로는 전기출력 30 MW 정도 컨테이너 선등 상업선박을 목표로 하고 있다. 연료는 저농축 우라늄, 냉각재는 염화염, 감속재가 없는 고속로 방식이고 운전온도 600도의 대기압에 가까운 설계를 목표로 하고 있다. 연료보급과 수명은 25년 정도로 잡아 중간에 연료 재장전이나 핵 재처리 없이 연료가 다하면 원자로 코어 전체를 폐기 하는 방식이다.

국제적으로는 소형모듈원자로(SMR)방식으로는 SSR 방식과 IMSR 방식이 실용성 경제성등으로 높은 평가를 받고 있다. SMR 실용성 비교 (TRACTEBEL)

SSR(Stable Salt Ractor)이라는 방식은 캐나다의 Moltex사가 추진중인 방식으로 경수로와 MSR의 중간형태의 노형으로 연료와 불화염을 연료봉 형태로 집적해 용융염에 담가 운전하는 것. 여러모로 카나다의 CANDU 원자로와 비슷한 운용방식을 가지고 있다. 건설비용이 적도록 설계되어 있고 출력에 비해 크기가 작다. 또 고속중성자를 이용하므로 사용후 핵연료 증 핵폐기물을 소각하는 데 중점을 두고 있다. 또 에너지 일시 저장기능도 가지고 있어 첨두부하 변동에 대처할 수 있다. 건설비는 300 MW 기준 6-9억 달러. 발전비용은 MWh 당 $45.

IMSR(Integrated Molten Salt Reactor) 은 캐나다의 Terrestrial Energy 가 추진중인 방식으로 핵연료와 감속재와 1차 열교환기가 담긴 원자로 코어를 무게 170톤 정도의 철제 깡통에 모두 집적해서 7년정도 가동해 흑연감속재가 열화되고 연료를 다 소모하고 사용후 핵연료가 축적되면 코어 깡통을 통째로 교환하는 방식이다. 완전 밀봉되어 있고 재처리를 하지 않으므로 핵확산을 방지하는데 효과적이다. 연료는 저농축 우라늄의 불화염을 연료로 사용한다. 다양한 핵연료를 사용할 수 있어 사용 후 핵연료 등 핵폐기물 소각에도 응용할 수 있다.

두 방식은 2030년대 초반에 상업가동할 수 있을 것으로 예상된다.

[1] 슬래그나 융제와 같이 용융된 광물 성분에서 발생되는 미세 먼지. [2] 핵무기 개발을 위해 사용후 핵연료에서 플로토늄 등을 분열성 물질을 추줄해내는 과정과 기술적으로 유사함. [3] 쉽게 말해 용융염을 재처리해야 하는데 여기에서 플루토늄을 꺼내기 쉽다는 뜻. 고체 핵연료를 사용하는 원자로는 사용후핵연료의 재처리를 아예 금지해버려도 되므로 핵확산 위험성이 낮으나, 용융염 원자로는 가동을 유지하기 위해서 용융염의 재처리가 필수이다. 단, 이는 파이로프로세싱과 같이 고의적으로 플루토늄 추출을 곤란하게 하는 재처리 공정을 개발하면 보완 가능하다. 문제는 파이로프로세싱조차도 핵확산 저항성에 대한 의심 때문에 실용화가 계속 미뤄지고 있다는 점이지만... [4] 이렇게 된 데는 경수로 찬성론자들이 경수로와 경쟁을 하던 MSR을 죽이기 위해 이런 억지 규정을 만들었다는 설도 있다. [5] 보통 불소염 용융염원자로에 연료로 주입되는 우라늄은 사불화우라늄으로, 가스상태가 아니라 녹는점이 섭씨 1000도가 넘는 고체다. 육불화우라늄은 상온에서는 고체고 섭씨 80~100도 정도에서 승화해서 가스가 되지만, 이건 사불화우라늄을 고온에서 불소(불산이 아니다)와 직접 반응시키는 ~~매우 지랄맞은~~ 공정이 있어야 만들수 있는 물건이다. [6] 삼중수소 발생을 줄이기 위해 리튬7만 분리사용