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LMFBR

고속증식로 (Liquid Metal-cooled Fast Breeder Reactor: LMFBR)

상세정보

가압경수로(Pressurized Water Reactor: PWR) 및 비등경수로(Boiling Water Reactor: BWR)와 같은 경수로(Light Water Reactor: LWR)에서의 핵분열 반응은 대부분 U-235에서 발생한다. U-235는 천연 우라늄에 0.7%만 들어있기 때문에 핵연료를 제작할 때 농축하여 사용하며, LWR과 같이 열중성자(Thermal Neutron)에 의해 핵분열반응이 주로 발생하는 열중성자로(Thermal Reactor)에서는 U-238을 핵분열가능한 물질(Fissionable Material)로서 거의 사용하지 않는다. 그러나, U-238이 중성자를 흡수하면 고속중성자(Fast Neutron)에 의해 핵분열성 물질(Fissile Material)인 Pu-239로 변환되는데, 이 반응은 고속증식로(Liquid Metal-cooled Fast Breeder Reactor: LMFBR)에서 발생한다. 이처럼 LMFBR은 우라늄 원소의 대부분을 차지하고 있는 U-238을 핵분열성 물질로 변환하여 우라늄 자원의 사용을 극대화하기 위해 개발한 원자로이다.

1940년부터 LWR과 더불어 LMFBR을 개발하여 왔으며, 1970년대에 발전시험용으로 프랑스의 PHENIX, 소련의 BN-350, 영국의 PFR을 건설.운전함으로써 원자로의 핵적 특성, 제어 및 안전관련 기술자료, 1차계통의 성능 등의 설계특성들을 확인하였다. 1980년대에는 일본의 시험용 LMFBR를 포함하여 소련의 BN-600, 독일의 SNR-300, 그리고 프랑스의 SUPERPHENIX가 개발되어 건설되었다. 규모가 가장 큰 LMFBR은 1986년부터 운전을 시작한 프랑스의 SUPERPHENIX로, 열출력 3,000 MW, 전기출력 1,180 MWe로 약 39%의 열효율을 가진다. LMFBR은 전세계적으로 운전되고 있는 원자력발전소의 전체 출력 중 1% 미만의 전력을 생산한다.

Diagram of BN-600 Nuclear Power Reactor

http://www.nucleartourist.com/images/bn_d.jpg

LMFBR의 노심은 크게 두 부분으로 구성된다. 노심 안쪽에는 UO2/PuO2의 핵연료 집합체가 있으며, 여기에서 주로 핵분열 반응이 발생한다. 반면, 바깥쪽에는 U-238로부터 Pu-239로의 변환이 주로 발생하며, 이 부분은 천연 우라늄(0.7%)보다 U-235가 더 적게 포함되어 있는 감손 우라늄으로 구성되어 있다. 이와 같이 핵분열 반응이 한번 발생할 때 더 많은 핵분열성 플루토늄이 생성되므로 이런 원자로를 증식로(Breeder)라고 한다. 프랑스 PHENIX의 경우, 핵분열반응이 100번 발생하면 115개의 새로운 핵분열성 핵자가 생성된다. 즉, 사용된 핵분열성 물질보다 더 많은 물질이 생성되고 이렇게 생성된 핵분열성 물질은 다른 열중성자로나 증식로에 다시 사용될 수 있다.

고속중성자에 의해 핵분열이 발생하는 LMFBR에는 중성자 감속재가 필요하지 않기 때문에 감속재로서 뛰어난 성능을 가진 물은 냉각재로써 적절하지 못하다. 그 대안으로, 액체 금속, 일반적으로 소듐(Sodium, Na)을 냉각재로 사용한다. SUPERPHENIX의 경우, 395℃의 소듐은 노심을 통과하면서 545℃로 가열된다. 소듐의 비등점은 1 MPa에서 900℃ 정도로 상대적으로 낮은 압력에서 매우 높은 비등점을 가지기 때문에 1차계통을 높은 압력으로 유지할 필요가 없으며 원자로 용기의 건설 및 제작이 비교적 용이하다. 그러나, 소듐은 자유공간이 존재하면 쉽게 기화하기 때문에, 넓은 지역의 냉각재 압력을 일정하게 유지하고 냉각재의 열손실을 방지하기 위하여 원자로용기 상단을 아르곤(Ar) 기체로 채운다. 또한, 이 기체를 원자로 운전 중이나 정지 후 채취.분석하여 핵연료 파손에 대한 정보를 얻는데 이용한다.

1차계통의 소듐의 열은 중간열교환기에서 2차계통의 소듐으로 전달되고, 3차계통으로의 열전달은 증기발생기에서 이뤄진다. 안전성 측면에서, 이와 같은 3개의 독립된 루프가 필요하다. 즉, 2차계통은 중성자에 의해 Na-24로 변환되어 방사능이 매우 높은 1차계통의 소듐을 3차계통의 물과 접촉하여 사고가 발생하지 않도록 하는 역할을 담당한다.


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