현재 일본에서 상업용으로 이용되는 원자력 에너지는 모두 발전용으로 이용된다. 일본에 있어 원자력발전은 일본 내 총 발전전력량의 약 3분의 1을 차지하는 중요한 전원이다. 2005년 10월 일본 원자력 위원회가 공표한 ‘원자력 정책 대망’에서는 총 발전전력량의 30~40% 정도인 현재의 원자력발전 수준이 2030년 이후에는 그 이상의 공급 비율이 되도록 목표하고 있다. 전 세계적으로 최근의 석유 가격 고등 및 지구온난화 문제에 대한 우려의 목소리가 높아지면서 우라늄 재료가 전 세계 나라 중 비교적 넓은 지역을 가진 정계가 안정된 나라에 많이 분포돼 있어, 발전 과정으로 온실가스를 배출하지 않는 원자력발전의 중요성이 재인식되어 있는 상황이다. 그러나 원자력 에너지에 과제가 있는 것도 사실이다. 배출된 방사성폐기물 관리 · 처분의 문제, 핵 확산 리스크와 같은 문제는 비교적 자주 인식되고 있는 데다, 현시점에서 원자력 에너지가 전력밖에 제조할 수 없다는 사실은 원자력 에너지의 가능성을 제약하는 것이라고 할 수 있다. 그래서 현재 이런 원자력 에너지의 제약 요인을 극복하기 위해 원자력 에너지의 새로운 이용 방법이 제창되어 이를 실현하기 위한 연구 개발이 진행되고 있다. 그것은 ‘원자력 에너지에 의한 고온의 열을 제조하고 그 고온 열에 의해 물을 열화학적으로 분해하여 수소를 만든다’는 개념으로, 현재 일본 원자력연구개발기구가 본 테마에 관한 연구 개발을 정력적으로 진행 중이다. 여기에서는 일본 원자력연구개발기구 오오아라이(大洗) 연구개발센터의 원자력 에너지에 의한 수소제조에 관한 설비와 해당 기술의 개요 및 연구 개발의 진보 상황, 목표에 대해서 소개한다.
원자력 에너지에 의한 수소 제조 기술의 개요
원자력 에너지에 의해 수소를 제조하는 기술은 두가지 프로세스로 구성된다. 바로 ‘고온가스로에 의한 고온 핵열 제조’와 ‘고온 핵열을 이용한 물의 열화학적 분해에 의한 수소 제조’다.
1. 고온가스로에 의한 고온 핵열 제조 일본 원자력연구개발기구에서는 ‘고온 공학 시험연구로(HTTR)’로 명명된 고온가스로를 이용한 연구 개발을 진행하고 있다. 이 고온가스로는 우라늄 산화물 입자를 열에 강한 세라믹을 비롯한 밀도가 다른 탄소층 및 탄화 규소 등 네 겹으로 피복한 직경 1㎜가 조금 안 되는 입상 연료를 이용하여 최고 출구 온도 약 950℃ 고온의 열을 제조하는 원자로다. 발생한 고온 핵열은 수소 제조와 함께 발전 및 해수 담수화 등 다단계로 여러 용도에 이용할 수 있어, 열의 종합 이용률을 비약적으로 높일 수 있다.(경수로에서는 약 35%인 데 반해 고온가스로에서는 70% 이상) 고온가스로의 특징 중 하나로 연료 · 감속재 · 노 내 구조물 · 냉각재에 의해 초래되는 뛰어난 안전성을 들 수 있다. 연료 측면에서는 위에 언급했듯이 융점이 높은 즉, 내구 온도가 높은 피복을 여러 겹으로 함으로써 열팽창 완충 효과, 연료핵에서 방출되는 핵분열 생성물의 흡수를 가능하게 한다. 감속재와 노 내 구조재로는 융점이 높은 흑연이 사용된다. 이에 따라 내열성을 높일 수 있음과 동시에 열 전도성이 뛰어나기 때문에 용기 외부에서 자연대류에 의해 냉각될 수 있으며, 노심의 용융을 막을 수 있다. 냉각재로서는 헬륨 가스가 사용된다. 헬륨은 화학반응에 대해 비활성이기 때문에 화학반응의 폭주를 막을 수 있다. 이처럼 고온가스로는 안전성이 매우 높은 원자로 이므로 앞으로는 수요지에 가깝게 설치되는 경우도 있을 것이다. 단, 이와 같은 고유의 안전성을 유지하기 위해서는 출력을 줄여야 한다는 문제가 있다. 고온가스로는 일본, 미국, 유럽 등 11개 국가 및 국제기관이 참가하는 국제 포럼에서 ‘제4세대 원자로’로 지정되다시피 하여 세계 각국에서 활발한 연구 개발이 전개되고 있다.
2. 물의 열화학적 분해에 의한 수소 제조 일본 원자력연구개발기구는 ‘열 화학법 IS 프로세스(IS는 요소 Iodine와 유황 Sulfur의 약칭)’로 명명된 수소 제조 기술을 연구 개발하고 있다. 이 기술의 기본 원리를 <그림 1>로 나타냈다. 그림과 같이, IS 프로세스는 고온의 열을 투입하여 화학반응을 조합하고 물을 1000℃ 이하의 온도로 분해하여 수소를 제조하는 것이다. 물 이외의 반응물질(요소, 황산 등)은 프로세스 내에서 반복 사용되는 폐(閉)사이클성을 가진다. 이 프로세스는 수소 제조 과정에서 온실가스를 일절 배출하지 않고 모든 반응물질이 기체 또는 액체 상태로 취급되기 때문에 대규모화하기 쉽다는 이점을 가진다. 그렇다면 IS 프로세스에 있어 해결해야 할 과제는 무엇인가.
첫째로, IS 프로세스에서 이뤄지는 화학반응 중 기술적으로 가장 어려운 요화수소와 황산의 생성반응(분젠 반응)을 적절히 제어할 수 있어야 한다는 점이다. 이 부분이 제어되지 않으면 유독 기체인 황화수소(H₂S)가 발생하기 때문이다. 둘째로, 요화수소의 분해 과정에서 요화수소만 증발시키는 것이 어려워 어느 정도는 물도 같이 증발시키는 것인데, 이것은 에너지 효율을 저하시키는 큰 요인이 된다. 따라서 요화수소를 선택적으로 증발시키는 기술 개발을 통해 전체 에너지 효율을 높여야 하는 문제점이 있다. 셋째로, 황산 및 요소 등의 반응물질은 그렇지 않아도 부식성이 강한 물질인데, 고온가스로에서부터 헬륨가스가 고압으로 공급되기 때문에 이런 고압하에서는 황산의 비점이 올라가 부식성이 더욱 문제가 된다. 따라서 플랜트 각 장치에 높은 내식성이 요구된다.
각 요소 기술의 연구 개발 경위 · 현황 · 전망
이 장에서는 일본 원자력연구개발기구의 고온가스로와 IS 프로세스 그리고 이를 더욱 발전시킨 수소 · 전력 코제너레이션 시스템의 연구 개발 경위, 현황 및 전망을 설명한다.
1. 고온가스로에 관한 연구 개발 경위 · 현황 · 전망 일본 원자력연구개발기구에서의 고온가스로(고온 공학 시험 연구로) 연구 개발은 1998년에 임계를 달성한 후 서서히 출력을 높여 2001년에 정격 운전(30㎿)에 이르렀으며, 같은 해 850℃의 열을 안정적으로 끄집어내는 것에 성공했다. 그리고 2004년부터 고온 시험 운전을 개시하여 그 해 원자로 출구 온도 950℃를 세계 최초로 달성했다. 이와 함께 고온가스로 고유의 안전성을 정량적으로 실증하기 위한 안전성 실증 시험을 시작해 제어봉인 제거 시험, 순환기 정지 시험을 함으로써 노심의 부(負)의 반응도 피드백 특성에 의한 과출력 억제와 수동적인 출력 저하를 실증했다. 2007년에는 850℃, 2008년에는 950℃에서의 고온 장기 연속 운전이 계획됐다. 이로 인해 ① 노심의 연소 특성 및 연료 특성 파악, ② 고온기기 및 노 내 구조물 등의 건전성 확인, ③ 헬륨의 순도 관리를 위한 데이터 취득, ④ 운전 관리 보수 기술의 축적을 목표로 했다.
2. IS 프로세스에 관한 연구 개발 경위 · 현황 · 전망 일본 원자력연구개발기구는 IS 프로세스 연구 개발에 반응 제어 기술 과제를 해결하기 위해 2004년 상압 하에서 전기히터를 가열하고 부식에 강한 유리용기를 이용해 매시간 약 30리터의 수소를 일주일 동안 연속 제조하는 공학 기초 시험을 세계 최초로 성공했다. 현재는 유리 대신 내식성이 강한 재료를 이용해 고압 하에서 고온 헬륨가스를 전기 가열하여 매시간 30㎞ 규모로 수소를 제조하는 지표 시험을 위한 확증 시험을 추진하고 있다. 그리고 이 시험을 위해 에너지 효율 향상 및 플랜트 각 장치에서의 내식성 확보를 달성하기 위한 연구 개발이 진행되고 있다. 그 후 고온가스로와 IS 프로세스를 고온 배관으로 접속하고 고온가스로에서의 고온 헬륨가스로 매시간 1000㎞ 규모의 수소를 제조하는 실증 시험이 예정됐다.(<그림 2> 참조) 최종적으로 열 출력이 최고 600㎿의 초(超)고온가스로와 IS 프로세스를 접속한 수소 제조 시스템을 확립하는 것이 목표다.
3. 수소 · 전력 코제너레이션 시스템의 연구 개발 일본 원자력연구개발기구는 고온가스로 및 IS 프로세스와 같은 요소 기술의 연구 개발과 함께 고온가스로 · IS 프로세스 · 가스 터빈 발전 · 해수담수화 시스템을 통합하여, 수소 · 전력 코제너레이션 초고온가스로 시스템 실현을 위한 연구 개발을 진행 중이다.
이 시스템으로 열을 다단계로 여러 용도에 이용하여 열의 총 이용률을 비약적으로 높일 수 있게 돼 최고 80%를 달성할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 현재 요소 기술을 유기적으로 통합하기 위해 필요한 고온 격리통 및 터빈 압출기 등의 연구 개발이 진행되고 있다.
고온가스로 · IS 프로세스에의 연료 공급
이 장에서는 고온가스로 · IS 프로세스에 의한 수소 제조 시스템에 어떻게 연료를 공급할 것인가 하는 점에 대한 전망을 살펴본다. 원자력발전의 에너지원이 된 우라늄 자원도 화석연료와 마찬가지로 유한한 자원이다. 그 때문에 일본에서는 원자력발전소에서 배출된 사용 후 연료를 재처리하여, 그에 따라 얻어지는 우라늄 및 플루토늄을 재이용하는 것이 기본 방침이다. 따라서 향후 원자력 에너지에 의해 전력과 수소가 만들어지는 상황에 이르게 되면 우라늄 자원 수급의 가속화가 예상된다. 일본 원자력연구개발기구는 고온가스로에 공급되는 연료를 우라늄에 기초해 제조하는데, 앞으로는 고속 증식로(FBR)에 의해 증식 · 공급되는 플루토늄에 기초하여 제조할 것으로 가정한다. 그와 동시에 우라늄 재료를 다중 피복된 연료를 이용한 고속가스로에서 배출된 사용후연료에 대해서도 다중 피복을 벗기는 공정과 함께 우라늄 재료를 이용한 경수로에서의 사용후연료와 같이 재처리가 가능할 것으로 전망한다. 이에 따라 얻어지는 우라늄 및 플루토늄을 이용해 다시 다중 피복하여 고온가스로의 연료로 사용 가능할 것으로 보고 있다. 이러한 미래상이 실현된다면 전력 수요 및 운수 수요 등에서 온실가스를 배출하지 않고, 에너지 공급 안전성도 뛰어난 형태로 전력과 수소를 공급할 수 있게 된다. 이는 매우 매력 있는 에너지 시스템의 실현 가능성을 시사한다.
원자로(原子걙 : Nuclear Reactor) 핵연료 물질을 연료로 사용하는 장치를 말한다. 그러나 원자핵분열 연쇄반응을 제어할 수 있고 그 반응의 평형상태를 중성자원을 쓰지 않고도 지속할 수 있는 장치는 제외된다.
흑연 원자로(Graphite Reactor) 천연 우라늄을 핵연료로 하고 흑연을 감속재로 하며, 냉각재로는 흑연에 대하여 안정한 탄산가스를 사용하는 원자로를 말한다.
우라늄 원자로(Uranium Reactor) 우라늄을 주요 연료로 하는 원자로로, 우라늄은 자연의 것(대체로 139개의 우라늄 238에 대하여 1개의 우라늄 235를 포함)이라도 좋지만 분열성 우라늄 233, 우라늄 235 등 농도가 진한 것을 쓰는 일이 많다.
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