원자로 유형8 - LMFBR(고속증식로)

<고속증식로(LMFBR - Liquid Metal-cooled Fast Breeder reactor)>

 

 

LMFBR은 우라늄 원소의 대부분을 차지하고 있는 U-238을 핵분열성 물질로 변환하여 우라늄 자원의 사용을 극대화하기 위해 개발한 원자로입니다.
가압경수로(PWR) 및 비등경수로(BWR)와 같은 경수로(LWR - Light Water Reactor)에서의 핵분열 반응은 대부분 U-235에서 발생합니다.
U-235는 천연 우라늄에 0.7%만 들어있어서 핵연료를 제작할 때 농축하여 사용합니다.
LWR과 같이 열중성자에 의해 핵분열반응이 주로 발생하는 열중성자로에서는 U-238을 핵분열 가능한 물질로서 거의 사용하지 않습니다.
그러나, U-238이 중성자를 흡수하면 고속중성자에 의해 핵분열성 물질이 Pu-239로 변환됩니다. 이 반응은 고속증식로에서 발생시킬 수 있습니다.

 

1940년부터 LWR과 더불어 LMFBR을 개발해왔습니다.
1970년대 발전시험용으로 프랑스의 PHENIX와 소련의 BN-350, 영국의 PFR을 건설하고 운영하였습니다.
이렇게 건설 및 운영하여 원자로의 핵적 특성, 제어 및 안전관련 기술자료, 1차계통의 성능 등의 설계특성들을 확인하였습니다.
1980년대에는 일본의 시험용 LMFBR을 포함하여 소련의 BN-600과 독일의 SNR-300, 프랑스의 SUPERPHENIX가 개발되어 건설되었습니다.
규모가 가장 큰 LMFBR은 1996년부터 운전을 시작한 프랑스의 SUPERPHENIX로, 열출력 3,000MW, 전기출력 1,180MWe로 약 39%의 열효율을 가집니다.
LMFBR은 전체 원자력발전소의 출력 중 1% 미만을 생산하고 있습니다.

 

 

 

LMFBR의 노심은 크게 두 부분으로 구성이 됩니다.
노심 안쪽에는 UO2/PuO2의 핵연료 집합체가 있으며, 여기에서 주로 핵분열 반응이 발생합니다.
**UO2 : 산화 우라늄, PuO2 : 산화 플라토늄
노심 바깥쪽에는 U-238로부터 Pu-239로의 변환이 주로 발생하며, 이 부분은 천연 우라늄(0.7%)보다 U-235가 더 적게 포함되어 있는 감손 우라늄으로 구성되어 있습니다.
핵분열 반응이 한 번 발생할 때 더 많은 핵분열성 플루토늄이 생성되므로, 이런 원자로를 증식로(Breeder)라고 합니다.
프랑스의 PHENIX의 경우, 핵분열반응이 100번 발생하면 115개의 새로운 핵분열성 핵자가 생성됩니다.
따라서 사용된 핵분열성 물질보다 더 많은 물질이 생성되고, 이렇게 생성된 핵분열성 물질은 다른 열중성자로나 증식로에 다시 사용됩니다.

 

 

고속중성자에 의해 핵분열이 발생하는 LMFBR에는 중성자 감속재가 필요하지 않아, 물은 냉각재로써 적절하지 않습니다.
그래서 액체 금속(일반적으롤 소듐)을 냉각재로 사용합니다.
소듐의 끓는점은 1MPa에서 900℃ 정도로 상대적으로 낮은 압력에서 매우 높은 끓는점을 가지기 때문에, 1차계통을 높은 압력으로 유지할 필요가 없으며 원자로 용기의 건설 및 제작이 비교적 쉽습니다. 대신, 소듐은 자유공간이 존재하면 쉽게 기화하기 때문에, 넓은 지역의 냉각재 압력을 일정하게 유지하고 냉각재의 열손실을 방지하기 위해 원자로용기 상단을 아르곤 기체로 채웁니다.
또한 이 아르곤을 원자로 운전 중이나 정지 후 채취, 분석하여 핵연료 파손에 대한 정보를 얻는데 이용합니다.
SUPERPHENIX의 경우 395℃의 소듐이 노심을 통과하면서 545℃로 가열이 됩니다.

 

1차계통의 소듐의 열은 중간 열교환기에서 2차계통의 소듐으로 전달됩니다.
3차계통의로의 열전달은 증기발생기에서 이루어집니다.
안전성 측면에서 이와같은 3개의 독립된 루프가 필요합니다.
2차계통의 중성자에 의해 Na-24로 변환되어, 방사능이 매우 높은 1차계통의 소듐을 3차계통의 물과 접촉하여 사고가 발생하지 않도록 하는 역할을 합니다.