차세대 원전 소형모듈원자로 

소재 경쟁 본격화

피동안전성·경제성 구현 기술 중요성 확대

고속중성자 환경 대응 신소재 개발 요구

1. 기술의 개요

1.1 소형모듈원자로 소재 기술의 정의 및 분류

1953년 12월 8일 드와이트 D. 아이젠하워 미국 대통령은 유엔 연설에서 “평화를 위한 원자력(Atoms for Peace)”을 천명하였고, 이후 많은 분야에서 원자력 기술이 활용되었다. 그중 원자력발전은 1954년 소비에트연방의 오브닌스크(Obninsk) 원자력발전소, 1956년 영국의 콜더 홀(Calder Hall) 및 미국의 시핑포트(Shippingport) 원자력발전소가 가동되면서 그 시작을 알렸다. 주로 1950년과 1965년 사이에 설치된 원자력발전소를 1세대 원전으로 분류하며, 이는 각국의 프로토타입 원자로를 발전 목적으로 변형시킨 것이다.

원자력발전소는 원자로에서 우라늄의 핵분열로 발생하는 막대한 열을 원자로냉각재가 순환하여 증기발생기로 전달하고, 이때 생성된 증기가 발전터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 방식이다. 원자로냉각재로 물, 가스, 염, 액체금속 등 많은 물질이 고려되었지만, 당시 가장 효과적인 물질로 경수(輕水, light water) 및 중수(重水, heavy water)가 선정되었다.

1970~1995년에는 이러한 물을 냉각재로 사용하는 2세대 원전이 상업 목적으로 건설되었고, 1995년 이후에는 출력 및 열효율을 높이고 안전성을 강화한 3세대 원전이 설계 및 건설되었다. 현재 국내에서 운전 중인 원전이 이에 해당하며, 2022년 7월 기준 전 세계적으로 원전 411기가 가동 중이고 53기는 건설 중이다. 또한 2021년에 기록한 원자력발전량은 2,653TWh이며, 전 세계 발전량의 9.8%에 해당한다. 이는 전 세계 발전량의 17.5%를 담당하였던 1996년에 비하면 대폭 축소된 비율이지만 현재까지도 기저부하(baseload)의 82.4%를 차지하는 중요한 발전원이다.

2010년 이후 기존 대형원전과는 다른 소형모듈원자로(small modular reactor, SMR)의 개념이 등장하였다. 국제원자력기구(international atomic energy agency, IAEA)의 분류에 따르면, SMR은 전기출력 10~300MWe인 원자로를 말하며, 핵증기공급계통(nuclear steam supply system, NSSS) 및 기타 주요계통을 일체화하고 및 현장설치를 최소화한 설계를 주요 특징으로 한다. 기존 원전에 사용하던 경수를 냉각재로 사용하는 SMR을 3+세대, 경수를 제외한 다른 냉각재를 사용하는 SMR을 4세대 원자로로 분류한다. <그림 1>에 세대별 주요 원자로 및 특징을 나타내었다.

▲ <그림 1> 세대별 원자로의 특징 및 주요 모델(자료 : I.L. Pioro, Handbook of Generation IV Nuclear Reactors, 2016)

1.2 기술의 원리

최근 들어 지구온난화 문제가 심각하게 대두함에 따라 탄소배출이 없는 발전원으로 원자력발전이 다시 주목받고 있다. 또한 국제해사기구(international maritime organization, IMO)가 선박 탄소배출 규제를 강화(2030년까지 2008년 대비 탄소배출을 40% 수준으로 감축)함에 따라 풍력, 태양광 등과 같은 신재생에너지로 대체할 수 없는 선박 추진의 동력원으로 SMR의 수요가 발생하고 있다.

▲ <그림 2> 대형원전과 소형모듈원자로(SMR) 비교(자료 : 한국수력원자력)

이에 따라 전 세계적으로 SMR 개발에 박차를 가하고 있으며, 특히 SMR이 지닌 피동안전성 및 고유안전성, 핵연료 사용 효율성, 사용후핵연료 처분 용이성 및 경제성 등의 장점에 주목하여 다양한 SMR 노형을 개발 중이다. <그림 2>에서는 기존 대형원전과 SMR의 주요계통을 비교하였다. SMR은 기존 대형원전 대비 주요계통이 일체형으로 설계되었으며, 약 1/100 수준으로 축소된 크기이다. SMR 노형은 1.1절에서 설명한 바와 같이 크게 원자로냉각재를 기준으로 경수형(3세대+) 및 비경수형(4세대)으로 나눌 수 있으며, 대표적인 SMR 노형 및 다양한 냉각재의 물리적 특성을 <표 1>과 <표 2>에 각각 정리하였다.

▲ <표 1> 현재 개발 중인 대표적 SMR 노형(자료 : Yannick Guerin, Materials Challenges for Advanced Nuclear Energy Systems, 2009)

▲ <표 2> SMR에 적용되는 냉각재의 물리적 특성(자료: N.E. Todreas, Medium-Power Lead-Alloy Reactors: Missions for This Reactor Technology, 2017)

<표 2>에서 확인할 수 있는 바와 같이, 경수 또는 중수를 사용하는 3세대 원전 및 3+세대 SMR의 경우 냉각재의 끓는점을 운전온도(약 340℃) 이상으로 높이려면 NSSS를 약 2,500psi 이상으로 가압하여야 하므로 압력용기 및 압력배관의 파손방지를 위한 구조건전성이 주요 관심사였다. 이러한 구조건전성은 기본적으로 가해지는 압력 대비 강도를 고려한 소재의 두께를 확보하는 방법으로 달성할 수 있다.

이를 위하여 미국 ASME BPVC(American Society of Mechanical Engineers Boiler and Pressure Vessel Code) 및 국내 KEPIC(Korea Electric Power Industry Code) 기술기준에서 관련 기술 요건을 제시하고 있으며, 정부에서 이러한 기술기준을 채택하여 적용해 왔다. 가압경수형 원전에는 오랜 기간 검증을 거쳐 기술기준에서 사용을 허가한 금속재료를 사용하고 있다.

아울러 발전소 계통별로 노출되는 특수환경(부식성 유체, 중성자 조사 및 1차수 응력부식균열 등)의 파손 경험을 통한 부식저항성 소재를 선정하여 사용하고 있다. 3세대 원전 및 3+세대 SMR에 사용하는 소재는 탄소강, 저합금강, 오스테나이트계 스테인리스강, 니켈기 초내열합금 등이 대표적이다.

그러나 경수 또는 중수를 사용하지 않는 4세대 SMR에서는 사용되는 냉각재 종류 간에 큰 물리적 차이를 보인다. 예를 들면 중성자 흡수 단면적이 상대적으로 높은 납, 납-비스무트, 소듐의 경우 중성자의 에너지가 1MeV 이상인 높은 고속중성자를 사용하게 되어 핵연료피복관의 소재 선택에서 기존 경수형과 근본적인 차이를 보인다.