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원자력추진 잠수함 원자로 설계 능력과 해결과제
2017-1차 방위산업선진화포럼 / 한국해양안보포럼 학술세미나 발표자료 입니다.
원자력추진 잠수함 원자로 설계 능력과 해결과제
이정익┃한국과학기술원 교수
I. 서언:
북한의 핵무기와 탄도미사일 개발에 의한 도발은 우리나라 안보에 중대한 위협이 되고 있다. 이런 위협을 사전에 봉쇄하고 또한 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라의 잠재적 적국이 주는 위협으로부터 국민을 보호하기 위해서는 해군의 장시간에 걸친 독립작전 능력 확보는 필수불가결하다. 이를 뒷받침하는 무기체계로 원자력추진 잠수함은 선진국에서도 이미 검증된 기술이며 적극적으로 운영하고 있기에 우리나라에서도 향후 개발이 필요한 무기체계로 보인다.
원자력 추진 잠수함에 필요한 원자로의 설계 능력에 대해서 논의하기에 앞서 우선 원자력 기술에 대해서 간단하게 설명하고자 한다. 원자력은 기존의 화석연료나 수소에서 발생하는 화학에너지를 사용하는 것이 아니라 원자핵의 잠재되어 있는 에너지를 이용한다.
화학에너지를 사용하기 위해서는 화학반응이 필요하며 이를 위해서 통상적으로 산소에 의한 산화 반응을 이용하여 화학에너지를 열에너지로 바꾼다. 반면에 원자핵 에너지는 핵반응을 통해서 원자핵 에너지를 방출하며, 핵반응을 일으키기 위해서 중성자를, 마치 화학반응에서 산소처럼, 이용하여 원자핵 에너지를 열에너지로 바꾼다. 원자핵 에너지가 화학에너지 대비 가지는 특징은 반응 하나당 발생하는 에너지가 백만 배 이상이며, 하나의 우라늄 235의 핵분열 반응에서 2-3개의 중성자가 추가로 발생하기 때문에 별도의 중성자 저장이 필요로 하지 않는다. 원자핵 에너지의 이런 특징 때문에 공간이 중요한 잠수함의 추진연료로 우라늄이 사용되기에 적합한 특성을 지니며 핵반응이 일어나는 원자로에 20년 이상 사용할 수 있는 핵연료를 함께 저장이 가능해지는 것이다.
원자로 기술을 알기 위해서는 임계현상과 핵연료 농축도 개념에 대한 이해가 우선 필요하다. 원자로의 임계라는 것은 원자로에서 핵반응에 필요한 중성자만큼을 원자로가 계속 생산할 수 있는 상태이다. 핵연료 농축도는 현재 원자로에서 연료로 사용하고 있는 우라늄 235 동위원소가 자연계의 99% 이상을 차지하는 우라늄 238 에 비해서 핵연료에 얼마나 많이 있는지를 나타내는 비율이다. 통상적으로 우라늄 235의 농축도가 높을수록 원자로의 임계현상을 유지하기 위한 원자로 크기의 소형화가 가능하며, 장시간 작전 능력도 향상된다.
원자력 추진 잠수함에 필요한 원자로 설계기술 내용은 선진국에서 대부분 극비로 다루어지기 때문에 해외의 원자력추진 잠수함과 관련된 원자로 설계기술을 본 논문에서 자세히 다루기는 어렵다. 하지만 기술적으로 역사상 여러 차례 시도되었고 지금도 운항중인 민간 원자력추진 선박의 원자로 설계, 제작 및 운영 기술과 크게 다르지 않기 때문에, 본 논문에서는 우선 과거의 민간 원자력 추진 선박 개발에 대한 내용을 간략히 먼저 다룬다. 이 후 현재 우리나라의 원자로 설계 기술 능력에 대해서 간략히 짚어 보고 사우디아라비아에 현재 수출을 진행 중인 SMART 원자로에 대해서 간단히 소개하고자 한다. 마지막으로 원자력 추진 잠수함 개발을 위해서 국내에서 개발되어야 하는 원자력 기술이 어떤 것인지에 대해서 간단히 짚어 보기로 한다.
II. 국외 민간 원자력추진 선박 사례
본 절은 참고문헌 1과 2의 해양원자력 특별위원회와 해양-원자력 공동위원회에서 발간한 보고서에서 관련 내용을 발췌 및 요약 정리하였다. 더 자세한 내용은 참고문헌 1과 2의 내용을 참고하기 바란다. 다음 표에 세계 각국에서 운영한 원자력 추진 민간선박을 정리하였다.
1) 미국 Nuclear Ship(NS) Savannah
미국의 민간용 원자력추진선박의 개발은 1955년 Dwight D. Eisenhower 대통령이 원자력에너지의 평화적 이용을 증진하기 위하여 민간용 원자력추진선박의 개발을 제안한 것으로 시작하였다. 1956년 의회 승인, 1958년 상선 건조 시작, 1959년 배의 진수, 1962년 항해를 시작하였고, 이 배는 Nuclear Ship Savannah 명명하였다. 세계 최초의 민간용 원자력추진선박으로, 원자력의 평화적 이용의 가능성을 확인하고, 타국 항구의 입항문제 등 원자력추진선박의 운행과 관련된 문제들을 해결 및 디젤 상선의 단점을 보완하기 위하여 개발하였다. NS Savannah 원자로는 노심의 긴 수명과 함께 보수적인 설계, 상업적으로 사용 가능한 물질 및 기기 이용, 그리고 배의 안전운행 보장을 설계요건으로 설계되었고, 10초 이내에 원자로 출력을 20～82%로 증가시킬 수 있고, 또 3초 이내에 100에서 20%로 감소시킬 수 있도록 설계하였다. Babcock and Wilcox(B&W)에서 설계하였다. 4.4%의 농축우라늄 7,100kg을 스테인리스 스틸 튜브에 UO2 형태로 사용하였고, 164개의 연료봉으로 구성된 핵연료 집합체로 노심을 구성하였다. NS Savannah는 초기노심으로 15,000 full power hours 동안 33,000 해리를 항해하고 재장전하였다. NS Savannah의 운행을 통해 경제적인 민간용 원자력추진선박 개발 기술을 축적할 수 있었고, 배, 원자로, 항해, 배안의 사람의 배치, 입항, 선원과 일반 대중의 안전 등등에 대한 설계기준을 정립할 수 있었다. 분리형(Loop type)인 NS Savannah의 건조 후 B&W는 보다 경제적인 민간용 원자력추진선박의 개발을 위하여 통합된 핵증기발생기(Consolidated Nuclear Steam Generator; CNSG)를 개발하기 시작하여 1962년 CNSG-I의 설계를 완성하였다. CNSG는 노심과 증기 발생기가 하나의 압력용기 안에 들어있는 일체형 원자로로, 분리형에 비해 작고 가벼우며 많은 보조기기가 제거되고 직관형 증기발생기, 자동가압기, 습식 격납용기 등의 설계 개념을 도입하였다. CNSG 설계는 German Babcock Interatom Consortium에 의해 개량되어 1968년 독일 최초의 민간용 원자력추진선박인 Otto Hahn의 건조에 기초가 되었다.
2) 독일 Otto Hahn
독일의 민간용 원자력추진선박 건조 사업은 1960년대의 석유파동으로 선박의 동력원을 다양화하기 위하여 시작되었으며, Otto Hahn이라는 광물 운반용 원자력추진선박은 미국의 B&W사의 도움을 받아 독일의 German-Babcock Interatom사가 건조하였다. 이 배에 탑재된 원자로는 미국 B&W사가 개발한 CNSG 원자로 설계를 개량하여 건조 격납용기 개념을 도입하여 설계되었으며 Otto Hahn의 설계건조 사업은 1963년 9월에 시작하여 원자로는 1968년 8월 26일 첫 임계에 도달하고 1968년 11월에 첫 항해에 나섰으며 상업용 항해는 1970년 2월에 시작하였다.
Otto Hahn 호의 원자로는 기존 상업용 원자로와는 달리 원자로 압력용기 안에 노심, 냉각재 펌프, 증기 발생기 등을 위치시킨 일체형원자로이기 때문에 증기발생기는 노심 상단부에 설치하였고, 냉각재 순환펌프는 압력용기 하단에 설치하여 냉각재를 강제순환 하였다. 저농축 UO2를 핵연료로 사용하고, 피복관의 재질은 스테인레스 강을 사용하였으며, 핵연료봉의 길이는 1120mm로 기존 상업용 원자로 핵연료의 약 1/3수준 이었다. 원자로 노심 열출력은 38MWt이고, 노심은 12개의 사각형 핵연료 집합체와 외곽에 4개의 삼각형 핵연료 집합체로 구성되어 있으며, 노심에 장전되는 핵연료는 2.95톤으로 원자로 전출력일로 환산하면 500 전출력일 운전이 가능하였다. 원자로 노심에서 발생하는 방사선을 차폐하기 위하여 원자로는 일차 및 이차 차폐제로 방호되어 있고, 일차차폐체는 상부 일차 차폐제와 제어봉 상단 차폐체 및 중성자 차폐제로 구성되어 있으며, 이상의 원자로 용기와 일차 차폐체들은 모두 격납용기 안에 들어가 있고, 원자로 격납용기는 다시 두께 50cm의 콘크리트 이차 차폐제로 보호되어 있었다.
Otto Hahn 호의 원자로는 기존 상업용 원자로와는 달리 원자로 압력용기 안에 노심, 냉각재 펌프, 증기 발생기 등을 위치시킨 일체형원자로이기 때문에 증기발생기는 노심 상단부에 설치하였고, 냉각재 순환펌프는 압력용기 하단에 설치하여 냉각재를 강제순환 하였다. 저농축 UO2를 핵연료로 사용하고, 피복관의 재질은 스테인레스 강을 사용하였으며, 핵연료봉의 길이는 1120mm로 기존 상업용 원자로 핵연료의 약 1/3수준 이었다. 원자로 노심 열출력은 38MWt이고, 노심은 12개의 사각형 핵연료 집합체와 외곽에 4개의 삼각형 핵연료 집합체로 구성되어 있으며, 노심에 장전되는 핵연료는 2.95톤으로 원자로 전출력일로 환산하면 500 전출력일 운전이 가능하였다. 원자로 노심에서 발생하는 방사선을 차폐하기 위하여 원자로는 일차 및 이차 차폐제로 방호되어 있고, 일차차폐체는 상부 일차 차폐제와 제어봉 상단 차폐체 및 중성자 차폐제로 구성되어 있으며, 이상의 원자로 용기와 일차 차폐체들은 모두 격납용기 안에 들어가 있고, 원자로 격납용기는 다시 두께 50cm의 콘크리트 이차 차폐제로 보호되어 있었다.
3) 일본 Mutsu
일본은 무쯔를 개발하여 건조함으로써 해양 원자로 실증로에 대한 경험을 보유했고, 이후에는 쇄빙관측선과 화물선 등의 목적으로 MRX(Marine Reactor X)를 개발하였으며, 심해 탐사용 잠수함으로 DRX(Deep-sea Reactor X)를 개발하였다. 원자력추진 시험선으로 개발된 무쯔는 1968년 건조를 시작하여 1974년에 출력상승시험을 실시하였으나, 방사선 누출문제가 발생하였다. 이후 1990년 3월 다시 출력상승시험을 재개하고, 그 해 가을에 항해를 시작하여 1991년 2월에 시험 항해를 완료하였다. 무쯔는 36MWt의 열출력을 갖는 분리형 가압경수로로 2기의 U튜브형 증기발생기와 2대의 밀봉형 전동펌프(canned motor pump)를 갖는 2루프 시스템으로 구성되어 있다. 주냉각재 계통은 기본적으로 상용 가압경수로를 축소한 형태이지만, 좁은 공간에 설치하기 위하여 증기발생기가 원자로의 높이차이가 크지 않아 자연순환력을 많이 이용하지 못하는 단점이 존재한다. 원자로용기, 증기발생기, 가압기, 주냉각수펌프 등은 약 10m의 격납용기 안에 내장되어 있으며, 원자로 용기는 직경이 약 1.9m이고, 높이가 약 5.7m이며, 두께가 93mm인 저합금강에 6mm의 스테인리스강으로 피복된 형태로 제작되었고, 붕산에 의한 반응도제어방식은 사용하지 않고 있다.
4) 러시아 원자력 쇄빙선
극지방을 통한 항해 시 현재의 항로에 비해 상당한 연료 절감으로 경제성을 극대화시킬 수 있으나 기후의 문제로 인하여 극지방의 항로를 사용할 수 있는 기간이 한정되어 있어서 이러한 문제들을 해결하기 위한 수단으로 쇄빙선이 사용되고 있다. 보다 효율적인 선박 보호 및 항로 개척을 위해서 쇄빙선에는 대용량의 동력원이 요구된다. 이에 따라 기온이 낮아 부동항이 적은 러시아에서는 원자력추진 쇄빙선에 대한 연구 개발 및 상업운전이 활발히 진행되어 러시아는 1956년 러시아 최초의 원자력추진 쇄빙선 LENIN호를 건조하기 시작하여 1959년 취항시켰다. 이 후 레닌은 65만 해리의 운행기록을 보유하며 30년간 운행되었으며, 현재 러시아는 원자력추진 쇄빙선 Arktica호, Siberia호, Russia호, Sovetskiy Soyuz호, Yamal호를 포함한 총 10척의 원자력추진 쇄빙선을 북극항로 개척 및 북극, 시베리아, 극동 지역의 자원탐사 등의 목적으로 사용하였다.
해외 사례에서 살펴볼 때 현재까지 개발되어 성공적으로 운용되고 있는 선박용 원자로는 가압경수로이다. 가압경수로는 수냉식 원자로로 원자로가 물로 냉각되며, 일차측 물은 고압으로 유지되어서 끓지 않고, 이차측 물은 저압으로 유지되어 증기가 발생한다. 발생한 증기를 이용하여 터빈을 회전하여 발전 또는 동력을 생산한다. 가압경수로 기반의 선박용 원자로는 다시 원자로냉각재계통의 구성형태에 따라 다음 그림과 같이 분리형(loop type), 반일체형(block type), 일체형(integral type)으로 분류할 수 있다.
해외 사례에서 살펴볼 때 현재까지 개발되어 성공적으로 운용되고 있는 선박용 원자로는 가압경수로이다. 가압경수로는 수냉식 원자로로 원자로가 물로 냉각되며, 일차측 물은 고압으로 유지되어서 끓지 않고, 이차측 물은 저압으로 유지되어 증기가 발생한다. 발생한 증기를 이용하여 터빈을 회전하여 발전 또는 동력을 생산한다. 가압경수로 기반의 선박용 원자로는 다시 원자로냉각재계통의 구성형태에 따라 다음 그림과 같이 분리형(loop type), 반일체형(block type), 일체형(integral type)으로 분류할 수 있다.
분리형 가압경수로는 미국에서 개발된 대부분의 원자력 추진선박(잠수함, 항공모함, 순항선, 구축함, 원자력 상선-Savannah)에 적용된 형태이며 해상 및 육상에서 가장 많이 적용되고 있는 원자로 구성형태이다. 반일체형은 주로 러시아에서 잠수함과 쇄빙선, 그리고 부유식 해양원전에 적용되는 형태로 분리형과 일체형의 단점을 극복하기 위한 혼합형 개념이다. 일체형은 독일에서 개발한 최초의 원자력 화물선 Otto Hahn에 구현된 후 프랑스와 러시아에 다양한 개발을 시도하다가 최근에는 SMART를 비롯한 소형모듈원전에서 가장 많이 적용되는 진보된 노형개념이다. 다음 표에는 세 가지 유형에 대한 장단점을 비교 검토하였으며 향후 원자력추진 목적을 위한 원자로의 노형을 선택할 경우에는 적용할 해양 환경적 특성, 운용성, 인허가 시현성, 제작성, 안전성 및 견고성, 경제성, 개발기간 등을 고려하여 개발 목적에 가장 부합되는 노형을 선정해야 한다. 최근의 경수로형 소형모듈원전의 개발 노력과 이에 대한 인허가 시현성 확보를 고려할 때 향후에 개발될 원자력추진용 원자로는 일체형 가압경수로로 채택될 가능성이 높다. 그러나 일체형 가압경수로의 충분한 자연순환력 확보와 손쉬운 가동중 수리 및 검사와 같은 유지보수성 확보가 기술적으로 먼저 해결되어야 한다.
III. SMART 원자로 소개
IAEA에서는 소형 원자로를 300MWe 급 이하로 정의하고 있다. 물리적으로 소형원자로는 기존의 대형원자로에 비해서 열용량이 작기 때문에 안전성 확보에서 유리하다. 또한 모듈공법을 도입하면 기존의 대형 원자로에 비해서 초기투자비가 적게 들면서 동시에 공장에서 생산 조립되어 건설 공기가 짧아지는 장점이 있기도 하다. 모듈형의 의미는 현장 시공의 반대 개념으로 공장 또는 현장 외 조립/제작 후 현장 운송 가능한 노형을 의미하며 동시에 복수의 동일 노형을 동일 현장에 설치하여 운영 가능한 노형을 의미한다. 따라서 소형모듈형원자로(SMR)는 전력생산 뿐만 아니라 복합 발전 및 담수화 등 다양한 용도로 활용이 가능하다. 단점은 아직 기술개발 초기 단계이고 규모의 경제성 때문에 대형 원자로에 비해서 경제성이 취약하다고 평가받고 있다는 점이다. 원자력 추진 잠수함용 원자로는 우선 소형원자로이기 때문에 본 절에서는 국내에서 개발되고 있는 소형원자로의 현황에 대해서 소개한다.
국내에서는 원자력 에너지 활용의 다변화에 관심을 가지고 소규모 전력 생산과 해수 담수화에 필요한 에너지를 공급할 수 있으며 안전성이 획기적으로 제고된 열출력 330MWt의 소형 일체형 원자로 SMART 개발을 1997년부터 본격적으로 추진해 왔다. SMART로부터 에너지를 공급받는 담수계통에서는 하루 40,000톤의 담수를 생산하도록 설계되어 있으며, 이와 함께 전력계통에서는 약 90MWe의 전력을 생산할 수 있다. SMART는 현재 2012년 표준설계인가를 획득하고 사우디아라비아와 2015년에 공동상용화를 추진 중에 있다. 전 세계 여러 소형원전 (전기출력 300MW 이하) 중 가장 상용화에 가까운 원전으로 평가되고 있다.
SMART는 노심, 8대의 증기발생기, 가압기, 4대의 원자로냉각재펌프 등이 배관 연결 없이 하나의 용기 안에 내장된 일체형원자로이다. 가압경수로의 주요 설계기준사고인 대형 냉각재상실사고(Large Break Loss of Coolant Accident; LBLOCA)를 근본적으로 배제할 수 있는 구조로 하였다. 열출력 330MWt의 SMART 노심은 저농축 UO2 핵연료를 사용하며, 실제 핵연료가 장착되는 부분의 유효길이가 2m인 17x17 형태의 핵연료집합체 57개로 구성되어 있다.
주기 3년의 장주기 운전을 목표로 하고 있으며, 반응도 제어를 위하여 가연성중성자흡수봉, 제어봉 및 수용성 붕소를 사용한다. 원자로용기 측면에 장착된 4대의 원자로냉각재펌프에 의하여 원자로용기 하부에 위치하는 노심과, 노심지지배럴과 원자로용기 내벽 사이의 환형공간에 위치하는 증기발생기로 원자로냉각재의 강제순환유동이 형성되어 노심에서 발생한 열이 증기발생기 전열관 내의 2차측으로 전달한다. 원자로냉각재펌프의 전동기는 고정자와 회전자에 냉각재가 스며드는 것을 방지하기 위하여 밀봉캔을 고정자와 회전자에 용접하여 냉각재와 격리한 캔드모터(canned motor)를 사용함으로써 축 밀봉을 통한 원자로냉각재의 누설을 제거하였다.
피동잔열제거계통은 주증기 고압력 신호, 주증기 저압력 신호, 급수 저유량 신호, 다양성보호계통의 피동잔열제거계통 작동 신호 또는 운전원의 수동조작에 의해 신호가 발생할 경우, 원자로냉각재계통이 정지냉각 운전이 가능한 상태에 도달할 때까지 증기발생기를 통해 전달된 노심의 잔열과 원자로냉각재계통의 현열을 제거하는 기능을 수행한다. 피동잔열제거계통은 각각 50% 용량을 가진 기계적으로 분리된 4개의 계열로 구성되어 있으며, 어떠한 출력준위에서 원자로가 정지되어도 2개의 계열을 이용해 원자로냉각재펌프가 정지된 상태에서 36시간 이내에 원자로냉각재계통의 온도를 임의의 출력운전 조건에서의 온도로부터 정지냉각계통이 운전을 개시할 수 있는 온도까지 냉각시킬 수 있도록 설계하였다. SMART에서는 그 외에 능동안전계통으로 기존 상용 가압경수로에서 사용하고 있는 안전주입계통, 정지냉각계통 등을 사용한다.
연료 장전 주기가 36개월인 SMART의 경우 전출력 일수로 계산하게 되면 대략 잠수함 연료 교체 장전주기로 보면 17에서 18년 정도이다. 핵연료 측면에서는 추가적으로 약간의 설계 개선만 있다면, 잠수함 설계 수명과 거의 동일한 연료 교체 장전 주기를 확보할 수 있을 것으로 보인다. 하지만 SMART의 경우 원자력추진용으로 개발된 것이 아니기 때문에, 선박의 움직임 속에서 보이게 될 운전 특성에 대한 대응책은 없다.
SMART의 부하추종 능력은 5%/분에서 최대 10%/초 정도의 부하 반응률을 보인다. 이는 50년 전에 개발된 민간 상선 NS Savannah의 경우 3초 안에 100%에서 20%로 출력 감소 및 10초 이내에 20에서 85%로 출력이 증가하는 능력을 감안 하였을 때, SMART를 원자력추진용으로 활용하기 위해서는 부하 추종 능력에 대한 개선도 필요하다. 또한 SMART의 열출력이 330MW 인 반면에 기존에 개발된 군용 및 민간용 원자력추진체계가 200MW를 넘지 않는 것을 감안 할 때 SMART의 전체적인 출력 및 크기도 추진체계에 맞게 축소되어야 한다.
IV. 원자력추진용 원자로의 기술개발 향후과제
IV. 원자력추진용 원자로의 기술개발 향후과제
원자력추진용 원자로는 육상용 원자력 발전소와 유사하게 원자로 내에서 일어나는 핵분열 에너지를 이용하여 증기를 발생시켜 이것으로 터빈을 구동시켜 전기를 생산하거나 터빈 변속기를 통해 직접 추진력을 제공한다. 일반적으로 터빈 변속기(gearbox speed reducer)를 통해 직접 선박프로펠러에 추진력을 전달하는 증기터빈추진(steam turbine propulsion) 방식과 터빈을 통해 생산된 전기로 선박 프로펠러에 연결된 전동기를 구동시키는 터빈발전추진(turbo-electric propulsion)방식이 활용되고 있다. 대부분의 원자력추진에서는 1대의 원자로가 장착되어 있으나 항공모함이나 대형 쇄빙선에서는 2대 이상의 원자로들이 가동되고 있는 경우도 있다.
지금까지 개발된 대부분의 원자력추진 선박은 가압경수로(pressurized water reactor, PWR)에 기반하고 있다. 비록 개발 초기에는 비등경수로, 가스냉각로, 액체금속냉각로, 유기냉매 원자로 등에 기반한 다양한 원자력 추진 선박이 연구되었지만 경제성과 안전성 그리고 운용성 측면에서 대부분 폐기되었고 오늘날에는 오직 가압경수로 기반 원자력추진 선박 또는 함정만 대부분 운용되고 있다. 참고로 가압경수로 다음으로 육상에 많이 건설된 비등경수로(boiling water reactor, BWR)는 가압경수로 대비 해양에 적용시 좋은 장점(보다 낮은 운전압력, 단순한 설계, 자연순환 운전 가능성, 보다 낮은 냉각재상실사고 위험도 등)이 있을 수 있음에도 불구하고 정상운전 중 증기계통 및 터빈계통의 방사화(N-16)로 인한 오염 문제와 노심 내 비등(boiling) 허용으로 인해 출력이 냉각재 밀도 섭동에 따라 민감하게 변하는 출력 불안정성으로 인해 원자력추진용으로는 부적합하다.
원자력추진에 활용되는 가압경수로는 육상에서 전력생산을 목적으로 하는 상용 가압경수로와 다음과 같이 여러 측면에서 차이가 있으며 향후 우리나라에서 원자력추진용 원자로를 개발하기 위한 과제로 볼 수 있다:
● 지금까지 해외의 군용 추진용 원자로는 20%에서 96%의 고농축 우라늄(highly-enriched uranium; HEU)을 핵연료를 대다수 사용하였는데 이는 선체의 공간적 제약으로 인해 소형화된(compact) 원자로를 구현하기 위함이다. 또한 제논(xenon)에 의한 원자로 작동불능시간(reactor dead time)를 충분히 보상할 만한 초기 잉여반응도를 제공하여 신속한 재시동이 가능하게 하고, 핵연료가 장기간 연소되도록 하여 10년 이상의 재장전 주기를 보장하여야 했기 때문이었다. 고농축 우라늄 핵연료는 보다 작은 노심에서 고출력 밀도를 구현하여 핵연료 장전 수명을 최대한 연장하는 장점이 있는데 반해 고농축으로 인해 핵연료 가격이 크게 상승하고 핵확산 위험도가 커지는 단점이 있다. 따라서 최근에는 프랑스와 일본에서 20%이하의 농축도를 가지는 선박용 원자로 개발이 추진되어 성공한 바 있으며 선박용 원자로의 열출력은 수백 MWt 이내로 수천 MWt에 이르는 육상용 원자로에 비해 아주 작다. 현재 저농축 우라늄을 연료로 사용할 경우에도 선박의 주기에 가까운 재장전시간을 가지게 만드는 원자로 기술 개발이 필요하며, 이 경우 기존의 핵연료 장전량이 증가하되 크게 증가하지 않게 만드는 기술이 필요하다. 또한 장주기 노심을 포기할 경우에는 핵연료 교체가 주기적(5-10년)으로 가능한 형태로 원자로를 구성하여야 하며, 이 경우 잠수함의 원자력추진부의 수밀유지기술이 매우 중요하게 된다.
● 선박용 원자로 핵연료는 육상용 원자로 핵연료인 세라믹 형태의 UO2가 아닌 금속-지르코늄 합금형태의 고 연소도(burn-up) 핵연료를 사용한다. 이는 상대적으로 높은 농축도와 가연성 독봉(burnable poison)을 사용하여 장수명 노심설계(10년 이상의 재장전 주기)를 구현하기 위함이다. 우리나라는 현재 세라믹 형태의 핵연료 기술이 가장 성숙해 있으며, 금속형 핵연료는 일부 연구용 원자로에서 사용하는 기술을 가지고 있다. 향후 세라믹 연료를 쓰더라도 금속 핵연료에 비해서 충격에 강한 구조를 가지는 핵연료를 개발하는 전략 또는 금속핵연료 제조 및 운전 기술을 개발하여야 한다.
● 원자력추진용 원자로의 기계 구조물은 거친 바다환경에서의 진동과 6개의 자유도를 가진 선박운동(ship motion)에 견디도록 설계되고 가혹한 바다날씨 및 바닷물에 의한 부식 응력을 추가적으로 고려해서 구조물을 설계한다. 추진용 원자로의 정지계통(shutdown system)은 수평선의 수직방향에서만 작동되는 것을 전제하지 않으며 예로 좌우 요동이나 전복 시에도 제어봉이 삽입되어야 한다. 우리나라는 주로 경사요동 조건이 지진에만 대비할 수 있게 설계하고 제작한 경험이 있다. 따라서 해상조건에서 생존할 수 있는 원자로 구조 설계 및 제작, 그리고 좁은 공간 안에 배치하는 기술 등의 개발이 필요하다.
● 추진용 원자로에서는 기기의 장기적 건전성과 운전원의 안전을 위해 중성자 및 감마선을 내부적으로 차폐할 수 있는 소형화된 압력용기를 요구한다. 잠수함과 같이 부피저감이 중요한 경우에 차폐를 잘 하기는 어렵다. 따라서 수중 환경에서 선원들이 안전하게 장시간 거주할 수 있으면서 동시에 작전성을 잃지 않게 하는 차폐기술 개발이 매우 중요하다. 일본의 Mutsu의 경우에도 선박안에서 방사선 차폐가 제대로 이루어지지 않았기 때문에 큰 어려움을 겪었듯이 국내에서 원자력추진함을 건조한다면 차폐가 매우 중요하다.
● 추진용 원자로의 열효율은 육상용 원자로에 비해 낮은데 이는 운전 목적에 따라 정상상태 운전보다도 유연한 출력변동 운전이 더 강조되고, 주 증기계통의 공간적 제약이 크기 때문이다. 증기발전이 가지는 기술적 한계를 최근에 개발되는 새로운 발전기술로 대체할 수 있다. 이와 관련하여 미국의 원자력해군기술 연구소는 신발전기술로 원자로의 효율을 증가하면서 공간을 축소할 수 있게 하는 초임계 이산화탄소 발전방식을 개발 중에 있으며 국내에서도 현재 활발하게 육상용 발전기술로 활발하게 개발 중에 있다.
● 추진용 원자로에서는 무붕산 노심설계를 통해 높은 부의 감속재온도계수를 확보하여 부하변동에 따른 노심의 고유안전성을 보장하고 계통 단순화를 통해 공간적 제약 문제를 해결한다. 이를 통해 비상시 바닷물을 냉각재로 활용할 수 있다. 다만 반응도 제어를 제어봉과 가연성 독봉에만 의존해야 하므로 제어봉구동장치의 신뢰성 확보와 가연성 독봉 추가 배치가 매우 중요하며 이와 관련된 기술을 개발하여야 한다.
VI. 요약 및 결언
원자력추진 방식이 잠수함에 적용할 때 큰 장점으로 볼 수 있는 것은 사용하는 핵연료가 화석연료 대비 수백만 배의 등가 에너지를 제공하므로 수년간 연료공급 없이도 운전이 가능해서 연료 구입비용 및 저장공간 확보 문제에서 자유로운 것이 가장 크다. 이러한 핵연료의 고에너지 밀도로 인해 고출력, 고속 추진으로 장기간 연속운항이 가능하다. 아울러 원자로는 공기 연소와 배기가스 배출이 필요 없으므로 이와 관련한 배기굴뚝, 흡입관, 송풍기 등을 제거할 수 있다. 특히 공기 연소와 배기가스 배출이 필요 없는 이러한 장점은 잠수함정에서는 큰 장점으로 작용한다. 따라서 서두에서 언급한 해군의 장시간 독립적인 작전능력을 확보하는 데 있어서 원자력추진 방식은 매우 매력적이다.
우리나라의 상업용 원자력 발전 기술에 대한 기술적 성숙도와 국제적 위상은 세계 최고 수준이며 이에 비추어 볼 때 원자력추진 기술을 구현하는 것은 충분히 가능하다. 과거에 세계적으로 개발이 진행되었던 민간 원자력추진 선박에 대해 검토하여 원자력추진 원자로는 기존의 루프형 원자로에서 반일체형 또는 일체형 원자로로 이행하여 단위 부피당 출력을 높였고, 또한 자연순환 냉각 방식을 채택함으로 해서 저소음화 기술에 성공함을 알았다. 원자력추진체계의 설계요건은 다음과 같이 정리할 수 있다.
1) 원자력추진함 설계 수명과 동일한 핵연료 교체 주기를 가진 노심 설계
2) 다양한 종류의 선박 움직임에서도 안정적이면서 안전한 운영이 가능한 원자로 설계
3) 민감한 부하추종 능력을 가진 원자로 설계
4) 저소음이면서 전체 원자력추진체계의 크기가 작은 시스템 설계
2) 다양한 종류의 선박 움직임에서도 안정적이면서 안전한 운영이 가능한 원자로 설계
3) 민감한 부하추종 능력을 가진 원자로 설계
4) 저소음이면서 전체 원자력추진체계의 크기가 작은 시스템 설계
국내용 원자력 함정 추진체계의 후보로 국내에서 현재 사우디아라비아와 함께 개발 중인 중소형 일체형원자로 SMART에 대해서 간략히 소개하였다, 도출된 원자력추진체계의 설계요건과 비교할 때 SMART는 원자력추진체계로 전용되기 위해서는 추가로 기술 개발해야 할 부분이 있다. 그러나 SMART를 개발한 국내의 원자력 기술을 기반으로 원자력추진체계를 개발하는 것은 기술적으로 충분히 가능하며, 가까운 미래에 한국형 원자력 함정 추진체계를 실현할 수 있을 것으로 판단한다.
대한민국 해군이 대양해군으로서의 면모를 갖추기 위해 개발되어야 할 원자력 추진기술과 기술개발을 위한 추진전략을 확립할 수 있다면 우리나라의 해상 안보를 높이고, 선진국으로서 가져야 할 군사적 면모를 갖출 수 있을 것으로 기대한다. 원자력 추진체계 기술 개발이 군사적인 영역에 머물 것으로만 예상되지는 않는다. 해군의 주도하에 국방의 목적으로 시작된 기술혁신이 민간산업으로 전파된 가장 좋은 예가 원자력 기술이다. 따라서 해군에서 개발되는 원자력 기술을 바탕으로 우리나라의 민간산업에서도 원자력 기술의 국제적인 위상을 더욱 높일 수 있을 것이다.
<참고문헌>
<참고문헌>
1. 해양원전특별위원회, 한국형 해양원자력시스템 개발 방향, 한국원자력학회, 2013. 8.
2. 해양-원자력 공동위원회, 해양원자력시스템 사업화 방안, 대한조선학회-한국원자력학회, 2015. 2.
2. 해양-원자력 공동위원회, 해양원자력시스템 사업화 방안, 대한조선학회-한국원자력학회, 2015. 2.
대표 이미지
SMART 원자로.jpg
