70年前 ‘核推進航空機’로 始作된 꿈…安全한 ‘液體소금’ 原子爐[딥다이브]

東亞日報
入力 2023年 12月 16日 10時 00分

한애란 記者

코멘트: 個

좋아요: 個

코멘트: 個

요즘 전 世界的으로 原子力發展에 對한 關心이 높아지고 있습니다. 氣候危機로 炭素排出을 줄이는 게 時急한 課題가 되면서 原子力의 必要性이 浮刻되는데요. 하지만 放射能事故危險을 생각하면 걱정스러운 것도 事實입니다.

萬若致命的인 事故發生可能性을 없앤 原子爐를 만들면 어떨까요. 中國에 이어 美國도 4世代原子爐中 하나인 鎔融鹽原子爐建設에 本格的으로 나섰다고 합니다. 約 70年前 ‘核推進航空機’ 構想에서 由來한 技術인 鎔融鹽原子爐(MRS, Molten Salt Reactor) 를 알아보겠습니다.

용융염은 고온으로 녹인 액체상태의 소금을 뜻한다. 이 용융염을 냉각재로 쓰는 원자로 개발은 미국에서 1950년대에 시작됐다. 미국 오크리지국립연구소 — 鎔融鹽은 高溫으로 녹인 液體狀態의 소금을 뜻한다. 이 鎔融鹽을 冷却材로 쓰는 原子爐開發은 美國에서 1950年代에 始作됐다. 美國 오크리지國立硏究所

*이 記事는 15日發行한 딥다이브 뉴스레터의 온라인 記事 버전입니다. ‘읽다 보면 빠져드는 經濟뉴스’ 딥다이브를 뉴스레터로 購讀하세요.
https://www.donga.com/news/Newsletter

原子力航空機와 液體 소금

暫時 옛날이야기부터 해볼게요. 몇 週 동안 繼續 하늘을 날 수 있는 戰鬪機가 開發된다면 얼마나 强力할까요. 冷戰時代엔 實際 이런 航空機를 開發하려는 試圖가 있었습니다. 바로 美國이 開發을 推進했던 ‘核推進航空機 ’입니다.

人類最初의 核推進潛水艦 노틸러스호(1954年 진수)엔 물로 冷却하는 加壓輕水爐原子爐가 裝着됐죠. 이 加壓輕水爐方式은 以後全世界原子力發電의 標準이 됐고요. 하지만 飛行機에 들어가려면 훨씬 더 작고 가벼운 새로운 方式의 原子爐 가 必要했습니다. 美國이 固體代身液體燃料를 쓰고, 물 代身鎔融鹽(高溫에 녹아 液體가 된 소금)李冷却材役割을 하는 ‘鎔融鹽原子爐’ 開發에 나선 理由입니다. 1954年美國 오크리지國立硏究所는 鎔融鹽을 利用한 小型原子爐開發에 世界最初로 成功 했죠.

美空軍은 正말 原子力航空機를 開發하려는 意志가 있었습니다. 1955~57年 ‘NB-36H’ 爆擊機에 小型原子爐를 싣고 數十次例試驗飛行 을 했던 것을 보면 알 수 있죠. 꼬리에 放射線 마크가 박힌 이 爆擊機는 實際原子力 에너지로 驅動되진 않았습니다. 代身原子爐를 싣고 다녀도 非行 시스템과 乘務員들은 安全하다(납과 고무로 放射線을 遮蔽)는 건 確認했죠.

세계 유일의 원자로 탑재 폭격기로 역사에 남은 NB-36H. 미 공군 — 世界唯一의 原子爐搭載爆擊機로 歷史에 남은 NB-36H. 美空軍

하지만 이 核推進航空機計劃은 論難 끝에 1961年 케네디 大統領에 依해 取消됐습니다. “約 10億 달러를 投資했지만 가까운 未來에 軍事的으로 有用한 航空機를 開發할 可能性은 稀薄하다”는 理由였는데요. 그 後에도 한동안 美國의 鎔融鹽原子로 實驗은 繼續됐습니다. 오크리지國立硏究所는 1965~69年實驗用鎔融鹽原子爐를 稼動하기도 했는데요. 그게 끝이었습니다. 1969年 12月 이 原子爐는 閉鎖됐고, 美國政府는 프로젝트를 中斷했죠.

1960년대 미국 오크리지국립연구소에서 실험용 용융염 원자로를 가동 중인 모습. 이론이 아닌 실제로 용융염 원자로를 이용해 전기를 생산할 수 있다는 걸 확인했지만, 이후 프로젝트는 중단됐다. 오크리지국립연구소 — 1960年代美國 오크리지國立硏究所에서 實驗用鎔融鹽原子爐를 稼動中인 모습. 理論이 아닌 實際로 鎔融鹽原子爐를 利用해 電氣를 生産할 수 있다는 걸 確認했지만, 以後 프로젝트는 中斷됐다. 오크리지國立硏究所

試驗稼動始作한 中國, 建設許可 내준 美國

그리고 數十年이 지난 只今, 잊혀진 技術이었던 鎔融鹽原子爐가 다시 살아나고 있습니다. 가장 앞서 나간 건 中國입니다. 2018年부터 고비沙漠에 鎔融鹽原子爐를 建設해온 中國은 지난 6月에 드디어 이 原子爐의 試驗稼動을 承認 했습니다. 中國 상하이應用物理硏究所가 試驗運營을 맡았죠.

技術元祖인 美國도 다시 뛰어들었습니다. 다만 政府가 아닌 民間이 開發을 主導하고 있는데요. 이달 12日美國原子力規制委員會는 鎔融鹽原子爐 스타트業인 카이로스파워(Kairos Power)의 示範原子爐建設을 許可 했습니다. 美國 테네시州에 建設될 이 1億 달러짜리 프로젝트는 2026年完工될 豫定인데요. 카이로스파워 側은 “美國이 수냉식(물로 冷却)李 아닌 原子爐建設을 承認한 건 50年 만에 처음”이라고 說明합니다.

카이로스파워 外에도 鎔融鹽原子爐開發에 뛰어든 스타트업은 美國과 유럽에 約 25곳이나 있습니다. 마이크로소프트(MS) 創業者 빌 게이츠가 設立한 테라파워(TerraPower) 도 그中 한 곳이죠.

數十年에 걸쳐 原子力市場은 물로 冷却하는 수냉식(輕水爐, 中手로)이 平定한 狀態이거든요. 그런데 왜 이제 와서 다시 液體소금 冷却方式(鎔融鹽原子爐)에 여러 國家와 企業들이 注目하는 걸까요.

멜트다운 없는 安全한 原子爐

鎔融鹽原子爐의 뚜렷한 長點 때문입니다. 致命的인 事故가 發生할 危險이 거의 없다는 거죠.

原電事故中 가장 危險한 게 爐心鎔融(멜트다운, Meltdown) 입니다. 冷却水가 제대로 供給되지 못해 內部溫度가 急激히 올라가서 核燃料棒이 녹아내리는 걸 뜻하는데요. 歷史上重大한 原電事故, 卽 1979年美國 스리마일섬 原電事故와 1986年蘇聯 체르노빌 原電事故, 그리고 2011年 후쿠시마 第 1 原子力發電所事故 모두 爐心鎔融이 原因이었습니다.

우라늄原子爐는 核反應을 中斷해도 남은 放射線元素들이 崩壞熱을 냅니다. 그래서 며칠 동안 繼續冷却水를 供給해서 熱을 식혀줘야만 하는데요. 2011年東日本大地震當時 후쿠시마 第 1 原電은 停電으로 冷却水注入 펌프의 稼動이 中斷됐죠. 冷却水循環은 멈췄고, 原子爐 안에 있던 冷却水가 蒸發해버리면서 核燃料棒이 空氣中에 露出됐고요. 燃料棒溫度가 1200度까지 上昇해 爐心鎔融이 發生하면서 防護壁이 녹아내리고 水素爆發까지 일어납니다.

2011년 사고 당시 후쿠시마 제1 원자력 발전소의 처참한 모습. 동아일보DB — 2011年事故當時 후쿠시마 第1 原子力發電所의 悽慘한 모습. 東亞日報DB

萬若 끓는 點이 매우 높아서 蒸發할 일 없는 冷却材를 쓰면 어떨까요. 그럼 冷却材를 補充해줄 必要가 없고요. 事故로 戰力이 끊겨도 冷却材가 繼續 남아서 熱을 식혀줄 테니 훨씬 安全하죠. 바로 이런 長點을 지닌 게 鎔融鹽입니다. 鎔融鹽의 끓는點은 大氣壓에서도 1500度以上으로 매우 높죠. 萬若 어떤 事故가 發生해서 鎔融鹽原子爐에 電氣供給이 끊긴다면? 그냥 두면 저절로 冷却될 겁니다. 퍼 피터슨 버클리대 原子力工學科敎授는 이렇게 說明합니다. “ 鎔融鹽은 끓어오르지 않기 때문에 本質的으로 魅力的입니다. 이것이 바로 原子力 에너지 分野에서 가장 重要한 技術中 하나로 떠오르는 理由입니다.”

우라늄核燃料棒을 묶은 커다란 다발인 ‘核燃料集合體’를 쓰지 않는다는 것도 鎔融鹽原子爐의 큰 特徵입니다. 普通은 液體核燃料를 쓰고요. 카이로스 파워 境遇엔 卓球공만 한 크기의 작은 固體燃料를 씁니다.

核燃料集合體를 쓰지 않으면 좋은 點이 참 여러가지인데요. 一旦原子爐 크기를 줄일 수 있고요(핵연료 集合體는 길이가 4m에 達함). 또 只今처럼 18個月에 한 番씩 燃料를 交替하기 위해 運轉을 停止할 必要가 없습니다. 그냥 繼續稼動하면서 燃料를 補充 해주면 되죠. 아마 온라인으로 燃料를 追加하는 式의 無人運轉도 可能할 겁니다. 또 燃料棒廢棄物도 덜 생기게 되고요.

일반적인 대형 원전은 핵연료봉을 다발로 묶은 핵연료 집합체를 사용하는데, 길이가 4m에 이를 정도로 크다. 액체 핵연료를 사용하면 원자로 크기를 크게 줄일 수 있다는 게 장점이다. 한국원자력연구원 유튜브 화면 캡처 — 一般的인 大型原電은 核燃料棒을 다발로 묶은 核燃料集合體를 使用하는데, 길이가 4m에 이를 程度로 크다. 液體核燃料를 使用하면 原子爐 크기를 크게 줄일 수 있다는 게 長點이다. 韓國原子力硏究院 유튜브 畵面 캡처

미국 스타트업 카이로스파워가 용융염 원자로에 사용하는 고체 핵연료. 기존 대형 원전에 쓰이는 핵연료 집합체가 아닌 자체 개발한 탁구공만한 크기의 연료를 쓴다. 겉면은 흑연으로 코팅돼있다. 카이로스파워 — 美國 스타트업 카이로스파워가 鎔融鹽原子爐에 使用하는 固體核燃料. 旣存大型原電에 쓰이는 核燃料集合體가 아닌 自體開發한 卓球공만한 크기의 燃料를 쓴다. 겉面은 黑鉛으로 코팅돼있다. 카이로스파워

鎔融鹽은 高溫에 强하기 때문에 原子爐運轉溫度를 旣存보다 더 높일 수 있는데요. 作動溫度를 높이면 熱效率(시스템에 投入된 열 對比生産되는 有用한 에너지量)은 높아집니다. 旣存 수냉식 原子爐의 熱效率은 約 32%이지만 鎔融鹽原子爐는 45%에 達한다고 하죠.

整理하자면 鎔融鹽原子爐는 더 安全하고 便利하고 效率的입니다. 하지만 商用化에 이르려면 實證도 거쳐야 하고, 갈 길이 먼데요. 特히 가장 큰 걸림돌은 이겁니다. 腐蝕.

소금은 여러 金屬에 腐蝕을 誘發할 수 있죠. 자칫 原子爐勇氣나 配管이 腐蝕되기라도 하면 放射性物質이 漏出될 수 있으니, 如干 큰일이 아닙니다. 이 때문에 腐蝕에 强한 素材開發이 重要한 課題입니다.

韓國의 MSR 開發現況은?

이쯤에서 궁금하실 겁니다. 우리나라는 이 새로운 原子爐技術에서 얼마나 와있는지 말이죠. 그래서 韓國原子力연구원의 鎔融鹽原子爐源泉技術開發事業團을 이끄는 이동형 團長 課電話로 인터뷰했습니다.

-韓國原子力硏究員도 鎔融鹽原子爐를 몇 年前부터 硏究해오셨죠?
“네. 다만 政府의 公式的인 國家硏究開發事業이 된 건 올해 4月부터 라서 조금 늦긴 했습니다. 中國은 約 10年前부터 開發에 나섰고요. 美國과 유럽에선 2018~2019年부터 政府支援뿐 아니라 民間資本이 엄청나게 投入되고 있습니다. 그래도 우리 硏究員이 設計技術이나 鎔融鹽關聯技術을 어느 程度確保해놓은 狀態에서 始作하는 거라서요. 이제 우리가 좀 더 奮發하면 따라잡을 수 있지 않을까 싶습니다.”

-中國과 美國을 보면 商業化까진 멀었고, 이제 示範運營을 막 始作하려는 段階인데요. 우리나라는 아직 그 示範稼動段階까지 가기에도 時間이 좀 걸리겠죠?
“저희 事業은 一旦 2026年까지 源泉技術을 開發하는 것이고요. 以後實證을 위해서는 다시 計劃을 세워 財源을 投入해야 할 겁니다. 다만 鼓舞的인 건 硏究員單獨으로 開發하는 것이 아니라 民間企業들, 現代建設·三星重工業·HD韓國造船海洋·센추리 가 들어와서 같이 硏究開發하고 있습니다. 硏究開發에 그치지 않고 商業目的의 開發을 서두른다는 게 政府方針입니다.”

-開發할 鎔融鹽原子爐의 使用處가 或是定해져 있나요? 船舶推進用일까요, 一般內陸電氣生産用일까요?
“現在는 海洋플랜트, 그리고 船舶 추진용을 于先 타깃 하고 있습니다. 鎔融鹽原子爐를 活用해 海洋에 適用하려는 努力이 美國·中國·덴마크에서 이미 많이 試圖가 되고 있어서, 저희도 그쪽을 目標로 잡았죠. 그런데 海洋플랜트이든 船舶推進이든 結局 모두 電氣를 만드는 것이라서요. 海上에서 實證이 되면 그걸 內陸으로 들여오는 것은 問題가 없을 겁니다.”

-造船社가 鎔融鹽原子爐에 特히 關心을 가지는 理由는 무엇일까요?
“그동안 造船社가 암모니아·水素·메탄올을 親環境 에너지로 보고 開發해왔는데, 이제는 原子力이 또 하나의 옵션으로 떠올랐습니다. 아무래도 燃料탱크가 크면 貨物을 많이 싣기 어렵잖아요. 그런 點에서 原子力에 메리트가 있습니다.”

차세대 원자로 개발은 핵연료 교체 주기를 늘려 핵폐기물을 줄이는 방향으로 진행 중이다. 게티이미지 — 次世代原子爐開發은 核燃料交替週期를 늘려 核廢棄物을 줄이는 方向으로 進行中이다. 게티이미지

-鎔融鹽原子爐는 核廢棄物發生을 크게 줄일 수 있는 게 큰 長點이라고요?
“最近 모든 原子爐가 核燃料交替週期를 매우 길게 가져가는 것을 目標로 技術開發中입니다. 只今처럼 18個月마다 交替하는 게 아니라 12~20年以上燃料를 排出하지 않는 方向 으로요. 使用後核燃料發生量을 줄이는 거죠.

또 우리 硏究所가 民間과 함께 開發하고 있는 技術이 있는데요. 使用後核燃料 안에 플루토늄이 많이 쌓이거든요. 그걸 再處理하지 않고 그 안에서 태울 수 있는 原子爐를 開發中입니다. 그렇게 하면 廢棄物發生量을 더 줄일 수 있죠.”

-그 技術은 어느 程度開發된 건가요?
“槪念的으로는 오래前, 그러니까 60年前부터 나와 있던 技術입니다. 勿論設計에 여러 方法이 必要하겠지만, 가장 重要한 건 實證이죠.”

- 鎔融鹽原子爐를 만들기 힘든 理由가 腐蝕이라는데요. 아직 解決策을 찾아 나가는 中인가요?
“저희뿐 아니라 各 나라의 硏究用原子爐開發會社들이 腐蝕에 强한 物質로 코팅해서 保護하는 技術을 開發하기 위해 資金과 人力을 많이 投入하고 있습니다. 이제 그 솔루션들이 하나씩 發表가 되고 있죠. 勿論核心內容은 公開하지 않지만요. 그 部分이 原子力에서는 가장 큰 토픽 中 하나입니다.”

-腐蝕을 막는 건 어렵지 않은 技術일 줄 알았는데, 생각보다 業界에선 훨씬 重要한 이슈이로군요.
“安全을 擔保해야만 하니까요. 또 船舶의 境遇엔 壽命이 30年인데, 可及的中間에 交替하지 않는 것이 廢棄物이나 모든 側面에서 좋기 때문에 이를 安全하게 保護하려는 努力을 많이 進行하고 있습니다.” By.딥다이브

요즘 小型모듈原子爐(SMR, Small Module Reactor)에 對한 關心이 높습니다. SMR이 國內株式市場에서도 테마로 자리잡았을 程度인데요. 오늘 說明드린 鎔融鹽原子爐(MSR) 亦是 이런 SMR의 種類中 하나에 屬하죠. 우리가 아는 旣存原子爐와는 다른 點이 많아서 재미있는 主題입니다. 主要內容을 要約하자면

-中國이 올해 6月鎔融鹽原子爐試驗稼動을 始作한 데 이어, 美國도 스타트업 카이로스파워의 示範原子爐建設을 承認했습니다. 液體狀態의 소금, 卽鎔融鹽을 利用한 次世代原子爐開發競爭이 本格化됩니다.

-鎔融鹽原子爐는 1950年代에 이미 나온 技術입니다. 애初엔 ‘核推進航空機’의 動力源으로 쓰기 위해 開發됐는데요. 이 計劃이 取消된 뒤 推進力을 잃고 프로젝트가 中斷됩니다.

-數十年 만에 다시 鎔融鹽原子爐가 注目 받는 건 뛰어난 安全性 때문입니다. 小形化, 無人化가 可能하고 熱效率이 높다는 長點도 있습니다.

-韓國도 올해부터 國家開發事業으로 이를 選定해 源泉技術開發에 나섰는데요. 特히 親環境船舶과 海洋플랜트 쪽에 重點을 두고 開發할 計劃입니다.

*이 記事는 15日發行한 딥다이브 뉴스레터의 온라인 記事 버전입니다. ‘읽다 보면 빠져드는 經濟뉴스’ 딥다이브를 뉴스레터로 購讀하세요.
https://www.donga.com/news/Newsletter