SMR, 극한환경 대응 고강도·고인성 신소재 必

대형 단조 공정 대체, 소재 효율 및 설계 자유도 향상· 생산성 및 정밀도 개선

경수형 상용화 진전 속 고온가스·액체금속·용융염 등 차세대 노형 개발 확대

1.3 기술의 중요성

3세대 및 3+세대 원자로용 소재는 기본적으로 약 340℃ 및 2,500psi의 고온고압, 중성자 조사 및 핵분열 반응도 조절을 위한 각종 수화학 환경(가장 대표적으로 붕산수)에 노출된다. 앞서 언급한 바와 같이 SMR의 경량화와 안전성의 양립을 위해 3+세대 SMR에는 기존 대형원자로 및 격납용기 소재보다 향상된 강도와 인성을 지닌 신소재 개발이 필요하며, 신소재를 빠르게 현장에 적용하려면 소재 개발과 동시에 용접 특성을 확보한 용접재료 및 용접기술 개발이 필수적으로 수반되어야 한다. 

신소재 및 용접기술 개발에는 고도의 기술력이 요구되며, 미래 SMR 시장을 선점하려고 세계 각국의 개발 경쟁이 치열하므로 국가가 주도하여 체계적으로 연구해야 한다. 그러나 신소재의 경우 1.2절에서 언급한 ASME 또는 KEPIC 기술기준을 적용받는 압력유지재료로 사용하려면 ASME Section II Part D 또는 KEPIC MDP상에 해당 신소재의 재료규격이 등재되고 사용이 허용되거나, 적용사례(Code Case) 형태로 개발되어 정부 규제기관의 승인을 받아야 한다. 통상적으로 신소재의 기술기준 등재 또는 적용사례 허용 과정은 유관기관의 각종 자료검토 및 승인에 따른 소요시간 때문에 신속히 완료되기는 어렵다.

그리고 경수형 및 비경수형 SMR이 공통적인 장점으로 내세우는 경제성을 확보하려면 기존 대형원전이 지닌 장기간의 제작 및 건설 기간(약 10년)을 획기적으로 단축하는 것이 중요하다. 그러므로 새로운 소재를 적용하기 전까지는 기존 소재의 제조기법을 혁신해 경제성, 안전성을 확보하도록 혁신제조기술(advanced manufacturing technology, AMT)에 집중할 필요가 있다.

최근 들어 SMR의 설계가 구체화되고 인허가 추진과 더불어 제작성 검토가 병행되고 있으며,  미국 전력연구원(electric power research institute, EPRI) 및 ASME Section III 관련 Task Group에서 SMR에 적용할 수 있는 혁신제조기술을 분류하고 기술개발에 박차를 가하고 있다. <그림 1>은 미국 EPRI에서 제시하는 SMR 적용을 위한 혁신제조기술 분야를 나타낸다.

▲ <그림 1> 혁신제조기술(Advanced Manufacturing Technology) 분야

혁신제조기술은 대표적으로 적층제조(additive manufacturing, AM), 분말야금열간등방압가압(powder metallurgy-hot isostatic pressing, PM-HIP), 전자빔용접(electron beam welding, EBW), 다이오드 레이저 클래딩(diode laser cladding, DLC), 표면응력개선(surface stress improvement, SSI), 저온분사(cold spray, CS) 등이 있다.

혁신제조기술의 SMR 적용 분야는 <그림 2>와 같으며, <표 1>에는 혁신제조기술의 주요 특징을 정리하였다. 요약하자면, 기존 주/단조 공정 대신에 적층제조 및 분말야금열간등방압가압을 적용할 수 있으며, 기존 아크 기반 용접법에서 전자빔용접 및 다이오드 레이저 클래딩과 같은 고생산성 용접기법이 사용될 수 있다. 또한 소재 수명 향상을 위하여 표면응력개선 및 저온분사코팅을 적용할 수 있다. 혁신제조기술을 적용하여 <그림 3>에 나타낸 바와 같이 경제성과 생산성만 확보하는 것이 아니라 안전성 또한 향상할 수 있으므로 대상 소재에 따른 기술개발 및 핵심노하우 확보가 필수이다.

▲ <그림 2> 혁신제조기술의 SMR 적용분야

▲ <표 1> SMR 적용 혁신제조기술의 특징

▲ <그림 3> 혁신제조기술의 SMR 적용 시 장점

또한 비경수형인 4세대 SMR는 냉각재 종류 및 노형에 따라 각기 다른 환경조건(운전압력, 운전온도, 부식환경, 중성자 조사 등)을 고려한 소재 선정이 필수이며, 이는 2.2절에서 자세히  다루도록 하겠다. 4세대 SMR 소재를 개발할 때도 앞서 언급한 혁신제조기술을 적극적으로 활용해야 하므로 신소재 개발 및 혁신제조기술 확보를 위해 정부와 산·학·연의 협력이 절실한 상황이다.

2. 소형모듈원자로 연구개발 동향

2.1 소형모듈원자로 개발 동향

경수형 SMR은 세계 각국에서 독자적인 노형으로 개발을 진행 중이며, 비경수형 SMR은 각국의 독자적인 개발과 더불어 2001년에 설립된 4세대 원자로 국제포럼(generation IV  international forum, GIF)을 통하여 국제공동연구 수행 및 기술개발 성과를 공유하고 있다.  전 세계적으로 개발 중인 대표적인 SMR을 노형별로 정리하여 <표 2>에 나타내었다.

▲ <표 2> 현재 개발 중인 소형모듈원자로 모델 및 주요 특징

▲ <표 2> 현재 개발 중인 소형모듈원자로 모델 및 주요 특징

경수형 SMR은 기본적인 바탕이 3세대 원전이기 때문에 현재 개발 중인 SMR 중 규제승인 및 건설에 가장 앞서있다. 경수형 SMR은 기존 3세대 원전에 적용되었던 검증된 소재 및 안전장치를 모듈화함으로써 더 쉽게 상용화할 수 있을 것으로 예측되지만, 핵분열을 위하여 열중성자를 사용함에 따른 사용후핵연료의 저장 및 처분 문제는 여전히 해결해야 할 숙제로 남아 있다.

불활성 기체(헬륨)를 냉각재로 사용하는 고온가스냉각원자로는 사고 발생 시 자연냉각만으로 잔열을 제거할 수 있어 높은 안전성을 확보할 수 있다. 또한 경수로형보다 월등히 높은 운전온도(750℃)로 고효율 발전을 할 수 있다. 아울러 전기 생산 외에 수소 생산, 지역열 공급 등 비발전 분야에 활용하려는 개발도 추진하고 있다. 고온가스냉각원자로는 헬륨가스를 냉각재로, 흑연을 감속재로, 세라믹으로 코팅된 입자연료(tri-structural isotropic, TRISO)를 사용한다. 

또 전체 출력 범위에 걸쳐 음의 반응도 계수를 갖기 때문에 사고 발생 시 작업자의 전력 차단 및 비상조치 없이 원자로를 정지할 수 있어 후쿠시마 원전 사고 같은 원자로 노심용해 사고를 원천적으로 배제한다. 냉각재로 헬륨가스를 사용하기 때문에 어떤 물질과도 화학반응이 일어나지 않아 부식이 없다. 

다만, 고온원자로 해석코드 개발 및 검증과 함께 코팅된 입자 연료 성능 데이터와 크리프, 피로 등의 고온 재료 물성 데이터가 필요하다.나트륨, 납 및 납-비스무트 공융[lead-bismuth eutectic, LBE(Pb44.5-Bi55.5)]과 같은 액체금속은 액체금속냉각원자로의 주요 냉각재이다. 1950년대 원자력 연구 초기부터 다수의 나트륨냉각고속원자로(sodium-cooled fast reactor, SFR)가 건설되어 연구, Pu 생산, 발전, 해수 담수화 등 다양한 목적으로 사용되었다. 

나트륨냉각고속원자로는 1986년에 수행된 EBR-II 실험(최대 전력 작동의 비강제 순환에서의 고유 정지 테스트)에서 입증된 고유안전성을 가질 수 있다. 그러나 나트륨은 작동 온도 범위에서 물 및 공기와 반응하는 것이 큰 단점이므로 원자로 냉각재로 사용되는 나트륨의 공기-물-나트륨 반응은 미래 나트륨냉각고속원자로에 대한 심층 방어 접근 방식으로 연구되어야 할 것이다.

나트륨냉각고속로와 유사하게 납냉각고속원자로(lead-cooled fast reactor, LFR)도 다양한 목적으로 테스트되었다. 러시아 연방 BREST-OD-300은 파일럿 실증 시제품으로 개발되었으며, 이의 축소된 모델인 BREST-OD-30은 2021년 착공하여 2026년에 운전 예정이다. 이 원자로에서는 상업용 납냉각고속원자로 시설에 필요한 광범위한 기술 연구가 수행될 예정이다. 

납냉각고속원자로에 사용되는 재료의 주요 열화 현상은 액체금속부식(liquid metal corrosion, LMC)과 액체금속취화(liquid metal embrittlement, LME)로 알려져 있으며, 이를 방지하고자 부식저항성 신소재 개발 및 부식저항성 코팅층 형성 등에 관한 연구를 진행하고 있다.

용융염원자로(molten salt reactor, MSR)는 고체 핵연료를 사용하는 대부분의 원자로와 달리 고온에서 용융된 염 형태인 불화물 또는 염화물에 용해된 핵연료가 원자로의 연료 및 냉각재로 사용된다. 액체 핵연료를 사용함에 따라 기존 원자로에서 채택하지 않은 혁신적인 개념을 적용함으로써 노심용해 사고를 원천적으로 배제할 수 있다. 

용융염원자로에 대한 관심은 주로 냉각재와 연료가 액체인 염 형태여서 얻게 되는 높은 열효율, 안전성 및 시스템 단순화에 있다. 그러나 내식성 합금의 부동태 산화물층이 용융염에서 열역학적으로 불안정해지기 때문에 용융염원자로에서 재료 부식 방지를 위한 신소재 개발, 염의 고순도 처리 등에 관한 연구가 진행 중이다.