고온 가스로와 이에 따른 수소 제조 기술의 연구 개발 :: 전체

독립행정법인 일본 원자력 연구개발기구에서는 고온 가스로와 이에 따른 수소 제조 기술의 연구 개발을 진행하고 있다. 2014년 2월, 향후 연구 개발의 방향을 검토하기 위해 외부 전문가들로 구성된 고온 가스로 및 수소 제조 연구 개발 평가 위원회에서 연구 개발의 의의, 내용 등에 대해 평가를 받아 최근 평가 결과를 공개 보고서로 정리했다.

그 결과, "열중성자 이용 산업·운수 부문의 이산화탄소 배출량을 저감하기 위해 원자력 에너지에 의한 열 수요에 부응하는 목표가 중요하다. 따라서, 고온 가스로와 이에 따른 수소 제조 기술을 보유해야 할 필요성이 제기되기 때문에, HTTR을 이용한 연구 개발을 실시해야 한다"는 평가 결과가 나왔다. 원자력 기구에서는 향후 연구 계획을 수립함에 있어서 이 평가 결과를 활용할 예정이다.

고온 가스로는 노심 용융이 일어나지 않는 등의 본질적인 안전성을 가지며 900℃를 넘는 고온의 열을 원자로에서 꺼내기 때문에 열 효율이 뛰어남과 동시에, 수소 제조 등 발전 이외의 이용이 가능한 등 원자력 이용 분야의 확대가 기대되는 원자로이다. 구체적으로는 수소, 공업용 열 이용 등의 다양한 열 이용, 폐연료의 유해성도 저감, 재생 가능 에너지와의 공생 등이 기대되고 있다.

고온 가스로는 냉각 능력의 상실, 냉각재의 상실과 같은 사고 시에도 사람의 손을 거치지 않아도 자연 현상으로만 중지시키고, 냉각시킬 수 있는 설계가 가능한 원자로이다. 이처럼 뛰어난 고유의 안전성을 갖는 이유는 다음과 같다.
1) 열 용량이 큰 흑연이 노심 구성 재료로 사용되고, 저출력 밀도(경수로에 비해 1자릿수 정도 낮다)를 채용한 노심 설계에 의해 사고 시의 온도 거동이 완만하다. 붕괴열은 흑연의 높은 열 전도, 원자로 압력 용기 밖으로 열 복사, 대기의 자연 대류에 의해서 원자로 압력 용기 밖으로 제거할 수 있다.
2) 내열성이 뛰어난 세라믹 4중 피복 입자 연료를 사용하여 1,600℃를 넘는 온도 범위까지 방사성 핵 분열 생성물을 완전히 가두는 것이 가능하다.
3) 냉각재로 헬륨 가스를 이용하기 때문에, 비등 등의 상 변화가 없다. 따라서 유량이 상실되는 사고 시에도 연료 온도 상승에 따른 핵 분열 반응이 억제되어 원자로는 정지 수준의 출력까지 자연스럽게 감소해 연료의 건전성을 해치지 않고 안전하게 정지된다.

이러한 고온 가스로의 뛰어난 고유의 안전성은 일본 최초의 고온 가스로 HTTR을 이용해 확증 중이다(그림1). HTTR은 열출력 30MW(3만 kW), 원자로 출구 냉각재 최고 온도는 950℃, 1998년 11월에 초임계, 2001년 12월에 열출력 30MW및 원자로 출구 냉각재 온도 850℃, 2004년 4월에 원자로 출구 냉각재 온도 950℃, 2010년 3월에 950℃, 50일간 고온 연속 운전을 달성했다.

원자력 기구에서는 고온 가스로와 이에 따른 수소 제조 기술의 향후 연구 개발의 방향을 검토하기 위해 원자력 기구를 설치하는 외부 전문가들로 구성된 고온 가스로 및 수소 제조 연구개발 평가위원회(이하, "고온 가스로 평가위원회"라 한다.)에 "고온 가스로와 이에 따른 수소 제조 기술의 연구 개발"에 관한 사전 평가에 대해 자문했다.
고온 가스로 평가 위원회에서는 2013년 12월 6일 집중적이고 전문적으로 평가를 실시하기 위해 전문가로 구성된 중기 계획 연구 평가 전문부회(이하"전문 부회"라 한다.)를 설치하고, 전문 부회에서 총 3회의 회의를 개최, 제2기 중기 계획의 연구 개발 성과에 대한 현 시점에서의 평가를 진행함과 동시에, 향후 실시해야 하는 연구 개발 및 검토해야 할 과제 등에 대해 평가가 이루어졌다. 그 후, 고온 가스로 평가 위원회에서 평가 결과가 정리되어, 2014년 2월 5일 원자력 기구 이사장에게 답신이 제출되면서 원자력 기구에 대한 평가 결과를 공개 보고서로 정리했다.

평가 결과는 다음과 같다.

1) 일본의 열 이용 산업·운수 부문의 이산화탄소 배출량 저감에 공헌하기 위해 원자력 에너지에 의해 열 수요에 부응하는 목표는 중요하며, 원자력 중에서도 가장 유망한 기술 중 하나인 고온 가스로와 이에 따른 수소 제조 기술의 확보는 필요하다.
2) 고온 가스로와 이에 따른 수소 제조에 관한 기반 기술의 확립을 목표로 950℃의 초고온 가스로를 위한 고온 공학 시험 연구로(HTTR) 등을 이용한 연구 개발을 실시해야 한다.
3) 750℃ 고온 가스로의 리드 플랜트 건설, 950℃의 초고온 가스로를 위한 연구 개발을 산업계 등 관계 기관과 적극 연계하여 추진해 나가는 것이 중요하다.
4) 원자력 수소 제조(HTTR? IS) 시험 계획에 대해서는 수소 사회에 대한 대응 상황에 따른 대처가 필요하다.
5) HTTR은 국제 공동 연구 및 국내외의 높은 전문성을 가진 원자력 인력 육성 등의 목적에도 적극적으로 활용되어야 한다.