미국 용융염원자로 개발이 어려운 이유와 상용화의 핵심 과제

용융염원자로를 설명할 때 자주 등장하는 표현 중 하나가 ‘핵연료를 소금처럼 녹여 사용하는 원자로’다.

일부 용융염원자로에는 맞는 설명이지만 모든 용융염원자로가 액체 핵연료를 사용하는 것은 아니다.

용융염을 냉각재로 사용하면서 고체 연료를 사용하는 설계도 있고, 핵연료 물질 자체를 용융염에 녹여 순환시키는 액체연료 방식도 있다.

따라서 용융염원자로를 이해하려면 냉각재와 핵연료 형태를 구분해야 한다.

용융염은 왜 원자로에 사용되는가

용융염은 특정 염을 높은 온도에서 액체 상태로 만든 것이다.

원자로 냉각재로 사용할 경우 높은 온도에서도 비교적 낮은 압력으로 운전할 수 있다는 특징이 있다.

기존 경수로는 물이 끓지 않도록 높은 압력을 유지해야 하지만 용융염을 사용하는 설계는 다른 압력 조건에서 고온 열을 전달할 수 있다.

이 때문에 전력 생산뿐 아니라 고온 산업열 공급 등 다양한 활용 가능성이 연구되고 있다.

NRC는 용융염을 사용하는 원자로를 첨단 원자로 기술 중 하나로 보고 있으며 미국에서는 실제 연구용 원자로와 상업용 설계를 대상으로 인허가 검토가 진행되고 있다.

액체연료 방식의 특징

일부 용융염원자로는 우라늄과 같은 핵연료 물질을 염에 녹여 액체 상태로 원자로 내부에서 순환시킨다.

이 경우 기존 원전처럼 고체 연료봉을 사용하는 구조와 연료 관리 방식이 크게 달라진다.

액체연료형 설계에서는 핵연료와 냉각재의 역할이 밀접하게 연결될 수 있다. 따라서 원자로 안에서 연료 성분이 어떻게 이동하는지, 핵분열 생성물을 어떻게 관리하는지, 재료 계측을 어떻게 수행하는지 등이 중요한 기술적 문제다.

NRC도 액체연료 용융염원자로의 핵물질 계량과 관리 방법을 별도의 연구 대상으로 다루고 있다.

장점만큼 중요한 재료 문제

용융염원자로를 소개하는 글에서는 ‘사고 위험이 획기적으로 낮다’는 표현이 자주 나오지만 그렇게 단순하게 평가해서는 안 된다.

낮은 압력 운전은 분명 일부 사고 시나리오를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 원자로 안전성은 냉각재 하나만으로 결정되지 않는다.

특히 고온의 용융염은 장기간 배관과 구조재료에 접촉한다. 염의 화학조성과 불순물, 운전온도 등에 따라 부식 문제가 발생할 수 있기 때문에 재료 선택과 부식 제어가 중요한 기술 과제다.

핵연료가 액체 형태라면 고체 연료 원자로와 다른 방식의 연료 계량과 방사성 물질 관리도 필요하다.

상용화를 볼 때 확인해야 할 부분

용융염원자로 기업을 평가할 때 단순히 설계 개념만 봐서는 부족하다.

실제 상용화에 중요한 것은

• 연료 형태가 고체인지 액체인지
• 사용할 우라늄의 농축 수준
• 염과 구조재료의 장기 호환성
• 시험로 운전 데이터
• NRC 인허가 진행 상황
• 연료 공급망
• 건설비와 유지보수 비용

이다.

미국 NRC가 Terrestrial Energy의 IMSR 같은 설계에 대해 사전 인허가 검토를 진행하고 있다는 사실은 기술이 단순 연구 개념에서 실제 규제 검토 단계로 이동하고 있다는 의미가 있다. 하지만 사전 검토와 상업 운전 승인은 전혀 다른 단계다.

용융염원자로의 가능성을 평가할 때는 ‘미래 원전을 완전히 바꿀 기술’이라는 표현보다 어떤 문제를 해결하려고 하고 어떤 기술적 과제가 아직 남아 있는지를 함께 보는 것이 중요하다.