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오늘 발행된 신문기사에 용융염원자로라는 상당히 낯선 용어가 등장했어요.
예의 기사를 소개해 볼께요.
냉각수는 물 대신 나트륨… 노출돼도 바로 굳는 ‘차세대 소형 원전’, 2023년 7월 24일 조선일보 기사
단 이 기사에서는 소형모듈형원자로(Small Modular Reactor, SMR)와 용융염원자로(溶融塩原子炉, Molten Salt Reactor, MSR)의 두 용어가 혼동되고 있으니까 그 점에 대해서는 주의를 요한다는 점을 미리 알려드릴께요.
용융염이라는 것은 글자 그대로 녹인 소금이라는 뜻인데, 여기서의 소금이란 식용으로 사용되는 염화나트륨(Sodium chloride)만을 칭하는 것이 아니라 화학적인 개념인 염(Salt)을 말해요. 염이란 이온결합(Ionic assembly)로 구성되는 화합물이고 기사에 등장하는 화합물인 질산나트륨(Sodium nitrate)와 질산칼륨(Potassium nitrate) 또한 역시 이온결합으로 구성된 것이라서 염에 속해요. 그것을 냉각재로 사용하게 되면 고온에서의 작동이 가능해져 열효율이 높아지는 것은 물론이고 원자로에 문제가 생겨서 냉각재가 유출되면 그대로 굳어버려 방사성폐기물의 확산을 원천적으로 차단하는 등의 장점도 있어요. 또한 가압할 필요가 없어서 거대한 압력용기 내에 원자로를 수납할 필요도 없어지니까 전체적으로 크기가 작아져요.
사실 용융염원자로의 역사는 의외로 길어요.
이미 미국에서는 1950년대에 원자력추진항공기 개발을 위해 용융염원자로를 제작하여 항공기에 탑재하여 실험하기도 했고 1960년대 이후에는 유의미한 성과를 내기도 했어요. 그 시기에는 미국 이외에도 영국이나 소련에서도 연구를 진행하기도 했고 21세기인 현재에는 캐나다, 중국, 덴마크, 프랑스, 독일, 인도, 인도네시아, 일본, 노르웨이, 러시아, 영국 및 미국이 연구에 열중하고 있기도 해요. 그렇지만 상기한 장점에도 불구하고도 높은 제작비용 및 부식문제가 큰 점도 있는데다 용융염원자로의 설계기술은 고속증식로(高速増殖炉, Fast Breeder Reactor)에 전용될 수도 있어서 핵무기 개발로 쉽게 이행가능한 문제도 있어서 여러모로 주의가 필요하죠. 그 결과 현실세계에서는 연구는 되고 있지만 아직 상업적으로 가동되는 용융염원자로는 없어요.
폴리포닉 월드에서는 용융염원자로의 가능성에 일찍부터 주목해서 이미 21세기가 시작하면서 기존의 가압경수로(加圧軽水炉, Pressurized Water Reactor)나 비등수형경수로(沸騰水型原子炉, Boiling Water Reactor)를 대체해 나가고 있기도 하죠. 이미 그 설정은 2017년에 등록된 게시물인 폴리포닉 월드의 동력기관 및 2021년에 등록된 게시물인 에너지 수급구조에도 등장해 있어요.
그리고 현실세계에서는 미국의 테라파워(TerraPower, 공식사이트/영어)가 실용화를 최대한 앞당기기 위해 연구개발을 진행하고 있어요. 2020년대 안에 결실을 맺을 수 있을지는 아직 미지수이지만, 결국 용융염원자로가 정답이라는 폴리포닉 월드의 결론은 현실세계에서도 같은 방향으로 수렴하고 있어요.
미국의 국립연구소인 퍼시픽 노스웨스트 내셔널 래버러터리(Pacific Northwest National Laboratory)에서 제작된 용융염원자로의 구조해설 영상(영어)을 소개해 드릴께요.
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2 댓글
대왕고래
2023-08-06 22:45:07
아예 소금을 녹인 소금물을 냉각제로 사용한다는 거네요. 녹은 소금이면 온도 높을텐데 그래도 냉각할 정도는 되는 모양이네요.
유출 걱정이 적다는 점은 매우 좋네요. 안전한데다가 성능도 보장되었으면 좋네요.
마드리갈
2023-08-06 23:33:04
냉각재라고 번역되니까 혼동되기 쉽죠. 사실 이렇게 이해하면 더 좋아요.
원자로와 열교환기 사이를 순환하는 냉각재는 노심에서의 열을 열교환기로 운반하는 것. 용융염은 대략 섭씨 800도(=화씨 1,472도) 정도에서도 액체로 존재하니까 액체상태의 물보다는 보다 많은 열을 노심에서 반출해 낼 수 있어요. 액체상태의 물의 임계점은 22.064Mpa 압력하에서 647.096K(=섭씨 373.946도/화씨 705.1028도)니까 그만큼 작동가능한 온도를 높일 수 있어요.
그리고 카르노 열기관에서의 열효율의 정의는 (고온-저온)/(고온)으로 정의되니까 온도가 크게 높아지는 것이죠. 저온이 500K일 경우 용융염원자로에서의 고온이 1,000K이고 경수로에서의 고온이 600K이라면 용융염원자로에서는 열효율이 50%이고 경수로에서는 16.7%니까 비약적으로 열효율이 높아지는 것이죠.
과거 소련에서 납과 비스무트를 이용한 냉각재를 적용한 원자로를 만들어 원자력잠수함에 탑재했죠. 실제로 열효율도 높고 조용하게 작동되었지만 소련의 재료과학 수준이 낮아서 배관재의 내구성 확보문제가 심각했고 결국 경수로로 돌아간 적도 있어요. 이런 문제가 여러 나라들의 연구에서 극복되고 있으니 실용화도 머지않아 달성될 거라고 믿어요.