원자력을 이용해서 차세대 청정에너지 수소를 대량 생산하기 위한 초고온가스로(VHTR; Very High Temperature gas-cooled Reactor)의 주요 조건을 모의할 수 있는 핵심 연구시설인 ‘초고온 헬륨 루프(HELP; Helium Experimental LooP)’가 완성됐다.


한국원자력연구원(원장 정연호)은 13일, 연구원 내 중형헬륨실험동에서 초고온 헬륨 루프 준공식을 가졌다. 초고온 헬륨 루프는 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 일환으로 총 사업비 40억원이 투입돼 3년여 만에 완공됐다.

우리나라는 2020년대 수소경제 진입을 목표로 하여, 2004년부터 교육과학기술부의 ‘원자력수소 생산기술 개발 및 실증사업’으로 본격적인 원자력수소의 연구 개발에 착수하였다. 2006년 원자력수소생산시스템을 위한 ‘원자력수소 실증사업’이 범부처적 사업으로 추진됨에 따라, 원자력연구원은 초고온가스로 및 SI 열화학 수소생산의 핵심 원천기술 개발과 필수 자립기술 확보를 위한 ‘원자력수소 핵심기술개발’ 연구에 집중해왔다.

4세대 원전 초고온가스로

이번 시설의 중요성을 설명하기 위해서는 먼저 초고온가스로에 대한 이해가 필요하다. 지속성, 환경성, 안전성, 경제성을 겸비한 제4세대 원자력 시스템 중 하나인 ‘초고온가스로’는 원자력을 이용해서 950℃ 이상 초고온의 열을 얻고, 이 열로 물을 분해해서 수소를 생산하는 원자로를 말한다.

물을 수소로 만드는 방법은 여러 가지가 있으나, 이 중 원자로에 사용하기 가장 적합한 방법은 요오드황(Sulfur Iodine, SI) 열화학공정과 고온전기분해 방식으로 알려져 있다. SI 열화학공정의 경우 대규모화에 따른 경제성 향상이 가능한 방식으로 평가 받고 있다.


초고온가스로는 화학적으로 안정된 헬륨 기체를 냉각재로 쓰고 핵분열에서 발생하는 방사성 물질을 차단하는 피복입자 핵연료를 사용하며 비상시에도 자체 복사열만으로 냉각이 가능해 안전성이 매우 높다. 또한 기존 경수로보다 낮은 잉여 반응도로 기존 원자로에 비해 훨씬 적은 ‘사용 후 연료’를 발생시킨다는 장점도 가지고 있다.

특히 점점 고갈되는 화석연료의 대체와 온실가스 배출에 따른 지구온난화 문제 해결을 위해서 가장 주목받고 있는 에너지 형태인 수소는 단위 무게당 포함된 화학에너지가 가장 큰 물질로 경제성이 매우 높아 현재 ‘제4세대 원자로국제포럼’에서 진행되는 공동연구 중 VHTR 노형은 다른 노형에 비해 가장 많은 10개국이 참여하고 있는 상황이다.

초고온가스로의 축소판, 초고온 헬륨 루프

‘초고온 헬륨 루프’는 수소 생산을 위한 초고온가스로의 열 교환기 등 1차 계통, 2차 계통, 부속 계통 등 주요 계통을 출력 대비 200분의 1로 축소한 것이다. 초고온가스로 설계를 위해 핵심 기기 및 설계 코드(소프트웨어)를 실험적으로 검증하는 장치가 가스 루프다.

한국원자력연구원은 지난 2005년 실험실 규모의 소형 질소 루프 설계를 시작해 2007년 이를 완성했다. 이 과정에서 축적한 기술을 바탕으로 2009년 중형 헬륨 루프 설계를 시작, 2010년 1차 계통 건조 및 전용 실험동 건축을 마쳤으며, 올해 2차 계통 및 부속 계통을 완성함으로써 초고온 헬륨 루프(HELP)를 자력 기술로 설계 및 제작하는 데 성공했다.

여기에는 ‘슈퍼 알로이’ 등 초고온가스로와 동일한 재질이 사용되며 우라늄 등 핵물질을 사용하지 않고 전기를 이용해서 초고온가스로의 실제 운전 온도와 압력인 950℃, 80기압을 구현해 초고온에서 주요 부품의 내열성과 수소 생산 과정에서 사용되는 황산에 대한 주요 계통 설비의 부식 저항성 등을 시험하게 된다.

한국원자력연구원은 "열 교환기, 고온 가열기, 순환장치 등 핵심 부품을 국산화함으로써 50억원의 수입 대체 효과를 기록했고, ‘초고온가스 원자로용 열교환기’ 등 관련 기술 3건의 국내 특허 등록을 마쳤다”고 밝혔다.

홍성덕 한국원자력연구원 수소생산원자로기술개발부 책임연구원은 “초고온 헬륨 루프 완공은 향후 원자력을 이용한 수소 생산 실증 단계에 필요한 대형 실증장치 개발에 핵심 정보를 제공하게 될 것”이라고 전했다.

초고온 헬륨 루프를 이용한 실험 결과는 초고온가스로 핵심 기기 설계, 안전 해석용 코드 개발과 2020년경 건설을 추진할 계획인 초고온가스로 실증로 인허가에 활용될 예정이다.