SMR, 대형 원자로보다 더 많은 방사능 폐기물 나온다고? Researchers Say SMRs Will Produce More Waste Than Large Nuclear Reactors, NuScale Disputes Claim
연구원들은 SMR이 대형 원자로보다 더 많은 폐기물을 생산할 것이라고 말한다.
:NuScale 분쟁
전 미국 원자력규제위원회(NRC) 의장과 스탠포드 대학의 전문가들로 구성된 팀이 주도한 연구 결과에 따르면 소형 모듈식 원자로는 기존의 기가와트 규모의 원자력 발전소보다 더 많은 방사성 폐기물을 발생시킬 것이라고 한다.
SMR 이점,
원자로 안전 기능 개선, 발전소 건설의 신속화, 비용 절감 등
이 결과는 NAS의 동료 평가 저널인 미국 과학 아카데미 회보(PNAS)에 발표된 연구 기사에서 발표되었다. 이 논문의 저자는 스탠퍼드 대학교 계열사인 린제이 M. 크롤로, 현재 스웨덴의 원자력 발전소에서 나오는 모든 방사성 폐기물을 다루는 스웨덴 핵연료 및 폐기물 관리사의 연구 및 안전 분석 부서에서 일하고 있다. (현재 브리티시컬럼비아 대학교의 교수이자 감독인 로드니 C. 스탠포드 대학의 교수이자 공동 이사)
SMR 폐기물 스트림 평가
SMR은 일반적으로 최대 전기 출력이 300 MW 이하인 원자로로 분류된다.
NuScale Power, GE-Hitachi, TerraFower, TerraPower, Toshiba 등 많은 회사들이 SMR을 개발하고 있다.
SMR 제안자들이 내세우는 이점으로는 원자로 안전 기능 개선, 발전소 건설의 신속화, 비용 절감 등이 있다. 그러나, 연구원들은 "핵 폐기물 흐름의 관리와 처리를 분석한 연구는 놀라울 정도로 거의 없다"고 말했다.
따라서 연구팀은 고준위 폐기물(HLW)과 저준위 폐기물(LILW) 흐름의 에너지 등가 부피, 전파화학, 붕괴열, 핵분열성 동위원소 조성 측면에서 세 가지 SMR 설계를 1,100MW 가압수형 원자로(PWR)와 비교하고자 했다. "결과적으로 물, 용융염, 나트륨 냉각 SMR 설계가 관리 및 처리를 필요로 하는 핵 폐기물의 양을 2에서 30배까지 증가시킬 것이라는 것을 알 수 있다"고 이 기사는 밝히고 있다.
이번 연구에서 평가된 SMR 설계는 NuScale iPWR, 도시바 4S 나트륨 냉각 고속로, 지상 에너지 일체형 용융염 원자로(IMSR)였다. 연구팀은 이들 설계가 16가지 옵션 목록에서 선택된 것은 면허 전 및 특허 출원 자료에서 신뢰할 수 있는 원자로와 연료 주기 사양을 이용할 수 있기 때문이라고 말했다.
폐기물 발생 방법
대부분의 원자력 발전소에서 일반적인 전력 생산 과정은 우라늄 연료의 핵분열을 수반하며, 이는 증기를 발생시키는 데 사용되는 열을 발생시키고, 이는 전기를 생산하기 위해 터빈 발전기로 향한다. 이 반응은 중성자가 우라늄 원자에 흡수될 때 일어나며, 이를 불안정하게 만들어 핵분열을 일으킨다. 원자로의 중성자 "경제성"은 연쇄 반응 과정의 효율에 따라 달라진다. 핵에서 연료 또는 핵분열성 핵종에 의해 흡수되지 않는 중성자는 연료 경계를 가로질러 손실될 수 있으며 연료 조립체를 둘러싼 구조 물질을 활성화시킬 수 있으며, 이로 인해 2차 형태의 방사성 폐기물이 생성된다.
발전소에서 발생하는 핵폐기물의 양은 원자로 전체의 방사성핵종 형성과 분포에 영향을 받는다. 방사성핵종은 원자로, 연료, 감속재 및 냉각재 재료의 형상, 구성 및 유로에 따라 달라진다. 중성자 누출 확률은 원자로 치수의 함수이다. 이름에서 알 수 있듯이 SMR은 기가와트급 원자로보다 작으며, 이는 중성자가 빠져나갈 수 있는 단위 부피당 표면적이 더 많다는 것을 의미한다. 실제로, 연구원들은 노심 반지름과 원자로 크기가 감소함에 따라 누출이 2차적으로 증가한다는 점에 주목했다.
PNAS 기사는 3,400 MWh의 PWR이 자유 중성자의 3% 미만으로 누출되는 반면, 160 MWh의 iPWR은 7% 이상 누출될 수 있다고 주장한다. 고속 원자로로부터의 누출도 연료 구성 및 노심 설계의 다른 측면에 따라 최소 4%, 최대 25%로 높은 것으로 나타났다. 전반적으로, "물 및 비물 SMR 둘 다 기가와트 규모의 경수로(LWR)에 비해 중성자 누출을 증가시킨다"고 이 기사는 말한다. 또한 중성자 누출의 작은 증가는 노심 임계도와 출력에 상당한 영향을 미치며 사용후핵연료(SNF)의 연소율 감소로 이어질 것이라고 한다.
더욱 복잡한 폐기물 관리
결국, 연구원들은 초과 폐기물 양이 "중성자 반사체 및/또는 SMR 설계에 화학 반응성 연료와 냉각제를 사용하기 때문"이라고 제안한다. 그러나 그들은 또한 부피가 가장 중요한 평가 지표가 아니며, 오히려 지질 저장소 성능은 SMR이 아무런 이점을 제공하지 않는 붕괴 열력과 SNF의 무선 화학에 의해 주도된다고 말했다. "SMR은 대부분의 저장소 설계에 중요한 선량 기여자인 지구화학적으로 이동 가능한 [요오드-129, 테크네튬-99 및 셀레늄-79] 핵분열 생성물의 생성을 감소시키지 않을 것이다."
더 중요한 것은, SMR 폐기물 흐름은 기존의 원자로와 상당한 방사성 화학적 차이를 가질 것이라고 연구원들은 말했다. "용융된 소금 및 나트륨 냉각된 SMR은 매우 부식성이 높은 열화성 연료와 냉각제를 사용하며, 이 연료는 조사 후 방사능이 매우 높아진다. 저연소 SMR SNF에서 상대적으로 높은 농도의 플루토늄-239와 우라늄-235는 이러한 화학적으로 불안정한 폐기물 흐름에 상당한 위험을 초래할 것이다.
궁극적으로, 3개의 SMR 설계의 분석은 기가와트 규모의 PWR과 관련하여 "이 원자로들은 SNF, 장수명 LILW, 단수명 LILW의 에너지 등가 부피를 각각 5.5, 30, 35까지 증가시킬 것이다"라고 보여준다. 기사는 물이나 다른 저장 물질과 접촉했을 때 발열 화학 반응이나 핵 임계치에 취약한 SMR 폐기물 흐름은 "직접적인 지질학적 처리에 적합하지 않다"고 말한다. 따라서 대량의 반응성 SMR 폐기물은 지질학적 처리에 앞서 처리, 조건화 및 적절한 포장이 필요할 수 있다. "이러한 과정들은 상당한 비용(아마도 방사능 노출과 핵분열성 물질 확산 경로)을 핵연료 주기의 후단에 도입할 것이며 장기적인 안전에 대한 명백한 이익을 수반하지 않을 것이다."라고 연구자들은 결론지었다.
NuScale 보고서 '사실 오류'
NuScale의 공동 설립자이자 최고 기술 책임자 Jose N. Reyes는 May R 교수에게 보낸 편지에서 이렇게 말했다. 베렌바움 PNAS 편집장은 "논문에 사실상의 오류가 있었다"고 말했다. 구체적으로, 그는 "저자들은 NuScale 소형 모듈식 원자로(SMR)가 기존 경수로보다 훨씬 더 많은 사용후핵연료(SNF)를 생산할 것이라고 잘못 주장한다. 이 진술의 근거는 NuScale VOYGR 발전소에 구현된 NuScale 250 MW 열 코어와 대조적으로 NuScale 160 MW 열 코어에 대한 그들의 분석이다.
"2021년 1월, NuScale은 '다양한 핵연료 주기 및 기술 옵션의 장점과 실행 가능성 및 첨단 원자로의 폐기물 측면'을 평가하고 평가하기 위해 250 MWt 노심의 특성을 미국 국립과학원, 엔지니어링 및 의학원(NASEM) 특별위원회에 제공했다. NASEM 특별 위원회 설문지에 대한 NuScale의 답변은 공개적으로 제공되며, NuScale 연료의 평균 연료 연소량은 배출 시 약 45,000 MWd/t이며 설계 기준 최대 피폭량은 62 GWd/MTHM이라고 명시되어 있다. 이러한 값은 기존 LWR 비행대에서 일반적으로 관찰되는 값 내에 있다. 따라서 NuScale 250 MWt 설계는 기존 LWR 비행대에서 일반적으로 관찰되는 소량보다 더 많은 SNF를 생성하지 않는다."
황기철 콘페이퍼 에디터 인플루언서
Ki Chul Hwang Conpaper editor influencer
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