도나님이 얼마전 지적한대로 쇄빙선용 소형원자로가 만들어지고 있었네요. 납ㅡ비스무스합금을 이용한 소형원자로입니다. 경수로방식보다 안전하고 소형화가 가능하며 방사능유출염려도 없습니다. 무엇보다 수명이 40년으로 아주 길군요. 또 소듐방식의 폭발성도 없네요. 앞으로 8년내로 상용화된다니 우리 잠수함에 설치하면 되겠네요. 그래서 김현종 당시 차장이 작년에 단정적으로 원잠 확보한다고 했군요 아래는 해당 기사입니다
밀리터리 리뷰 이지
한국형 원자력 잠수함용 4세대 비스무트-납 원자로?
지난 1월 9일, 북한 조선중앙통신은 지난 5~7일 진행된 김정은의 노동당 8차 대회 사업총화 보고 보도에서 "핵잠수함과 수중발사핵전략무기 보유에 대한 과업이 상정됐다"고 밝혔습니다. 그리고 방공망을 무력화할 수 있는 극초음속 무기의 개발도 시사하였습니다.
가장 놀라운 소식은 "중형 잠수함 무장 현대화 목표의 기준을 정확히 설정하고 시범 개조해 해군의 현존 수중 작전 능력을 현저히 제고할 확고한 전망을 열어놓고 새로운 핵잠수함 설계연구가 끝나 최종심사단계에 있다."는 구체적인 설명도 덧붙였습니다. 즉, 북한이 핵추진 잠수함 도입 의사를 공식화한 것입니다.
한국도 원자력 잠수함을?
한국 국방부도 지난 2020년 8월에 발표한 2021~2025 국방중기계획을 통해 장보고-Ⅲ 잠수함의 건조계획을 밝혔습니다. 여기서 핵(核)이란 표현은 공식 문서상에 없었지만, 국방부는 당시 브리핑을 통해 4,000톤급 장보고-Ⅲ 후기형에 대한 원자력 추진체계 도입을 검토하고 있음을 인정하였습니다.
노무현 정부 시절에 이른바 <362사업>이란 명칭으로 추진했다가 중단되었던 원자력 추진 잠수함 개발이 16년이 지나 문재인 정부에 들어서 다시 살아난 것입니다.
◆ 문제는 짧은 수명?
밀리터리 리뷰는 여러 번 362 사업과 잠수함용 원자력 추진체계에 대해 소개한 바 있으므로 굳이 다시 언급할 필요성은 없을 것입니다.
그래서 간략히 정리하면, 국방과학연구소와 한국 원자력 연구소에서 이미 잠수함용 원자로 설계를 완성한 바 있으므로 정치적으로 사업이 결정되면 5년 안에 실용 개발이 가능합니다. 그리고 이미 도산 안창호함이 우수한 성능을 입증함은 물론, 곧 실전 배치될 예정이므로 잠수함의 전체 설계기술도 확보된 상태입니다.
유일한 문제는 한·미 원자력 협정이 인정한 농축도 20% 미만의 우라늄을 사용할 경우, 7~10년마다 핵연료를 교체해야 한다는 점입니다. 핵연료 교환 작업은 많은 비용이 소요됨은 물론, 무엇보다 자주 핵연료를 교체할 경우 막대한 핵 폐기물이 발생하므로 이를 재처리하는 것이 보통 문제가 아닙니다.
더욱이 국내에서 설계된 잠수함용 원자로는 가압 경수로형 방식이므로 부피가 상당함은 물론, 원자로 냉각체계에서 발생하는 소음을 제거하는 데에 상당한 노하우가 필요합니다. 특히나 일본과 중국이 세계적 수준의 대잠전 체계를 구축하고 있는 상황에서 시끄러운 원자력 잠수함은 표적 그 이상 그 이하가 아닙니다.
쇄빙선용 4세대 원자로를 개발한다?
한국형 원자력 잠수함에 대한 논란이 진행되는 상황에서, 2019년 6월 27일 UNIST(울산과학기술원)는 초소형 원전 연구단 미네르바(MINERVA) 출범식을 열고 납-비스무스 냉각재를 활용한 4세대 소형 원자로를 만들겠다고 밝혔습니다.
미네르바(지혜의 여신) 연구단은 경희대와 서울대, 울산대, KAIST 등 주요 대학, 무진기연, 스마트파워, 우라너스 등 원전 관련기업들이 연구단에 참여할 예정입니다.
◆ 쇄빙선용 원자로?
국내에서 개발할 4세대 원자로는 지름이 1.7ｍ, 길이는 6ｍ에 불과해 OPR-1000 등의 상용 원자로와 비교해 부피가 500분의 1에 불과합니다. 그 발전 출력은 20MW(메가와트)급이며 무엇보다 고속증식로 기술을 사용해 연료수명이 40년이나 되므로, 한 번 탑재되면 배가 퇴역할 때까지 원자로나 핵연료를 교체할 필요가 없습니다.
연구진들은 신형 원자로 2기를 쇄빙선 크기 배에 집어넣을 계획임을 발표했으며, 운용된 지 40년이 지난 원자로는 표준형 방사능 보관 케이스에 넣고 중저준위 처리 시설로 옮기고 폐쇄시키면 충분하다고 설명합니다.
개발사업 책임자인 황일순 교수는 “이번에 개발할 소형 원자로는 원자로를 물로 냉각하는 것이 아니라 납과 비스무트를 5 대 5로 혼합한 액체금속으로 식힌다.”며 “이 액체금속은 123도에서 액체가 되고 1,700도에서 기체가 되는데 상온에서 물이나 공기와 만나도 반응과 폭발이 없다는 장점이 있다”고 설명하였습니다.
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밀리터리 리뷰 이지
한국형 원자력 잠수함용 4세대 비스무트-납 원자로
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AckDog
2021. 2. 5. 2:28
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세계 최초로 납-비스무트 원자로를 탑재한 구소련의 알파급 잠수함입니다. 가벼운 선체에 고효율 원자로를 장착해 무려 45노트(83km/h)급의 속도를 자랑했습니다.
지난 1월 9일, 북한 조선중앙통신은 지난 5~7일 진행된 김정은의 노동당 8차 대회 사업총화 보고 보도에서 "핵잠수함과 수중발사핵전략무기 보유에 대한 과업이 상정됐다"고 밝혔습니다. 그리고 방공망을 무력화할 수 있는 극초음속 무기의 개발도 시사하였습니다.
가장 놀라운 소식은 "중형 잠수함 무장 현대화 목표의 기준을 정확히 설정하고 시범 개조해 해군의 현존 수중 작전 능력을 현저히 제고할 확고한 전망을 열어놓고 새로운 핵잠수함 설계연구가 끝나 최종심사단계에 있다."는 구체적인 설명도 덧붙였습니다. 즉, 북한이 핵추진 잠수함 도입 의사를 공식화한 것입니다.
상세설계가 진행 중인 장보고-Ⅲ급 Batch Ⅱ 잠수함입니다. 국방부는 이어서 건조될 장보고-Ⅲ급 Batch Ⅲ에 원자력 추진장치 장착을 검토하고 있습니다.
한국도 원자력 잠수함을?
한국 국방부도 지난 2020년 8월에 발표한 2021~2025 국방중기계획을 통해 장보고-Ⅲ 잠수함의 건조계획을 밝혔습니다. 여기서 핵(核)이란 표현은 공식 문서상에 없었지만, 국방부는 당시 브리핑을 통해 4,000톤급 장보고-Ⅲ 후기형에 대한 원자력 추진체계 도입을 검토하고 있음을 인정하였습니다.
노무현 정부 시절에 이른바 <362사업>이란 명칭으로 추진했다가 중단되었던 원자력 추진 잠수함 개발이 16년이 지나 문재인 정부에 들어서 다시 살아난 것입니다.
◆ 문제는 짧은 수명?
밀리터리 리뷰는 여러 번 362 사업과 잠수함용 원자력 추진체계에 대해 소개한 바 있으므로 굳이 다시 언급할 필요성은 없을 것입니다.
그래서 간략히 정리하면, 국방과학연구소와 한국 원자력 연구소에서 이미 잠수함용 원자로 설계를 완성한 바 있으므로 정치적으로 사업이 결정되면 5년 안에 실용 개발이 가능합니다. 그리고 이미 도산 안창호함이 우수한 성능을 입증함은 물론, 곧 실전 배치될 예정이므로 잠수함의 전체 설계기술도 확보된 상태입니다.
유일한 문제는 한·미 원자력 협정이 인정한 농축도 20% 미만의 우라늄을 사용할 경우, 7~10년마다 핵연료를 교체해야 한다는 점입니다. 핵연료 교환 작업은 많은 비용이 소요됨은 물론, 무엇보다 자주 핵연료를 교체할 경우 막대한 핵 폐기물이 발생하므로 이를 재처리하는 것이 보통 문제가 아닙니다.
더욱이 국내에서 설계된 잠수함용 원자로는 가압 경수로형 방식이므로 부피가 상당함은 물론, 원자로 냉각체계에서 발생하는 소음을 제거하는 데에 상당한 노하우가 필요합니다. 특히나 일본과 중국이 세계적 수준의 대잠전 체계를 구축하고 있는 상황에서 시끄러운 원자력 잠수함은 표적 그 이상 그 이하가 아닙니다.
UNIST(울산과학기술원) 주도하에 개발 중인 한국형 4세대 납-비스무트 원자로의 크기와 형상을 보여주는 개념도입니다. 오른쪽의 인체 크기와 비교해 보면 원자로가 얼마나 소형인지를 잘 파악할 수 있습니다.
쇄빙선용 4세대 원자로를 개발한다?
한국형 원자력 잠수함에 대한 논란이 진행되는 상황에서, 2019년 6월 27일 UNIST(울산과학기술원)는 초소형 원전 연구단 미네르바(MINERVA) 출범식을 열고 납-비스무스 냉각재를 활용한 4세대 소형 원자로를 만들겠다고 밝혔습니다.
미네르바(지혜의 여신) 연구단은 경희대와 서울대, 울산대, KAIST 등 주요 대학, 무진기연, 스마트파워, 우라너스 등 원전 관련기업들이 연구단에 참여할 예정입니다.
◆ 쇄빙선용 원자로?
국내에서 개발할 4세대 원자로는 지름이 1.7ｍ, 길이는 6ｍ에 불과해 OPR-1000 등의 상용 원자로와 비교해 부피가 500분의 1에 불과합니다. 그 발전 출력은 20MW(메가와트)급이며 무엇보다 고속증식로 기술을 사용해 연료수명이 40년이나 되므로, 한 번 탑재되면 배가 퇴역할 때까지 원자로나 핵연료를 교체할 필요가 없습니다.
연구진들은 신형 원자로 2기를 쇄빙선 크기 배에 집어넣을 계획임을 발표했으며, 운용된 지 40년이 지난 원자로는 표준형 방사능 보관 케이스에 넣고 중저준위 처리 시설로 옮기고 폐쇄시키면 충분하다고 설명합니다.
개발사업 책임자인 황일순 교수는 “이번에 개발할 소형 원자로는 원자로를 물로 냉각하는 것이 아니라 납과 비스무트를 5 대 5로 혼합한 액체금속으로 식힌다.”며 “이 액체금속은 123도에서 액체가 되고 1,700도에서 기체가 되는데 상온에서 물이나 공기와 만나도 반응과 폭발이 없다는 장점이 있다”고 설명하였습니다.
도산 안창호함의 수상항해 장면입니다. 도산 안창호함은 예정된 스케줄에 맞추어 다양한 검증 테스트를 진행 중이며, 현재까지 성공적으로 사업이 진행되고 있습니다.
곧바로 국내 언론사에서는 이 소형 원자로가 장보고-III급 잠수함에 적용될 수 있을 것이라는 기사를 내보냈습니다.
여기에 대해 황 교수는 “최근 중국이 선박용 원자로를 개발하면서 잠수함 등 군사용으로 전환할 수 있다는 우려가 국제사회에 제기됐지만 우리는 연구단을 출범하면서 평화적으로 이용하겠다는 선서를 했다”며 가능성을 부인했지만, 이는 다른 의미로 얼마든지 군사화가 가능함을 의미하기도 합니다.
이어서 황 교수 연구팀은 4년 뒤 개념설계가 완료되면 이후 상용화와 인허가를 위한 상세개발에 나설 예정이라고 밝혔으며, 상용화 시기는 짧게는 7년, 길게는 10년으로 보고 있었습니다. 즉, 지금까지 이야기를 들어보면 잘하면 2028년 이후에 등장할 장보고-Ⅲ급 Batch Ⅲ 탑재도 노려볼 수 있는 것처럼 보입니다.
납-비스무트 원자로란?
여기서 납-비스무트형 4세대 원자로는 한국 이외에 중국과 미국, 유럽 등의 다양한 국가가 개발하고 있습니다. 그리고 1970년대 구소련이 4세대 모델은 아니지만 납-비스무트 냉각제를 사용하는 원자로를 알파급 잠수함에 장착해 무려 45노트(83km/h)급의 최대속도를 자랑하기도 했습니다.
◆ 주요 운용 특성
4세대 납-비스무트 원자로는 한·미 원자력 협정을 어기지 않고도 개발이 가능함은 물론, 무려 40년의 운용수명을 자랑합니다. 무엇보다 납-비스무트 원자로는 현재 원자력 발전소와 원자력 잠수함이 사용하는 경수로와 비교해 소형화가 가능함은 물론, 아주 안전한 것으로 알려지고 있습니다.
현재 사용 중인 경수로 원자로는 냉각재로 경수(물)를 사용하는데, 널리 알려졌듯 물은 100도에서 끓어오르면서 기화됩니다. 이렇게 낮은 온도에서 끓어오르므로 냉각효율이 떨어짐은 물론, 원자로에서 만들어진 열 에너지를 제대로 외부로 전달하지 못해 운용효율 면에서도 문제가 많습니다.
그래서 경수로는 물이 끓어오르는 것을 최대한 막고자 150기압에 달하는 강한 압력을 가해주고 있습니다. 문제는 배관이나 기타 구조물에서 문제가 발생할 경우, 가압된 수증기가 새어나오면서 주변을 넓게 방사능으로 오염시킬 수 있다는 점입니다.
이와 비교해 납-비스무트 원자로는 원자로를 식히는 냉각재로 물이 아닌 액체로 된 금속(납 + 비스무트 합금)을 사용합니다. 납-비스무트를 혼합시키는 것은 납의 녹는점이 327도인 것과 비교해, 납-비스무트 합금은 123도에 불과해 손쉽게 액화시킬 수 있기 때문입니다.
납-비스무트의 장점은?
납-비스무트 합금은 경수(물)보다 훨씬 에너지 전달효율이 높아 원자로 냉각이 용이함은 물론, 원자로에서 발생하는 열을 보다 효과적으로 운반하므로 에너지 전환효율이 아주 높습니다.
특히나 만약 원자로 체계에 문제가 발생하면, 납-비스무트 냉각체계에 가해지는 열을 끊어버리면 곧바로 납이 굳어지면서 원자로를 완전히 납으로 덮어버리게 됩니다.
납은 가장 효과적인 <방사능 차단재료>이므로, 설사 원자로 사고가 발생해도 탑재한 선박만 격리시키면 충분합니다.
이와 비교해 경수로는 원자로에 문제가 생길 경우, 원자로를 멈추기가 쉽지 않으며 가압된 방사능 증기가 상당히 먼 거리까지 퍼지므로 이를 방지하고자 대형 콘크리트 보호구조물로 보호하고 있습니다.
덧붙여 황 교수는 “납-비스무트 액체금속은 123도에서 액체가 되고 1,700도에서 기체가 되는데 상온에서 물이나 공기와 만나도 반응과 폭발이 없다는 장점이 있다”고 설명하였습니다.
이것은 무슨 의미일까요? 이는 현재 국제적으로 널리 연구 중인 소듐(나트륨) 원자로와 같은 폭발 문제가 없음을 의미합니다. 이미 1950년대부터 가압 경수로 원자로의 낮은 냉각 및 열전달 효율 문제에 대응해 많은 국가들이 영어로는 소듐(Sodium), 독일어로는 나트륨(Natrium)을 사용하는 원자로를 개발하였습니다. 참고로 한국에서는 과거에는 나트륨이란 단어를 사용했지만, 현재는 소듐이 정식용어가 되었습니다.
각설하고, 소듐 금속은 소금(염화나트륨, NaCl)에서 손쉽게 확보할 수 있음은 물론, 97.9도의 온도에서 녹아 액체가 되지만, 기화점(끓는점)은 877.5도나 되므로 기화를 방지하고자 가압할 필요가 없습니다. 무엇보다 냉각효율과 열전달 효율이 경수로의 2배 이상에 달하며 뒤에서 언급하겠지만 고속 중성자를 흡수하지도 않습니다.
미국 해군은 1950년대 세계 최초의 원자력 잠수함인 SSN-571 노틸러스함에 가압 경수로 원자로를 탑재하였습니다.
하지만 이어서 건조된 두 번째 원자력 잠수함인 SSN-575 시울프함에는 열전달 효율을 높인 소듐을 냉각재로 사용했지만 곧바로 심각한 문제가 발생하였습니다.
우리가 과학시간에서 배웠듯이 소듐(나트륨)은 물이나 수분과 접촉하면 대폭발을 일으키기 때문에, 배관체계 관리가 아주 어려웠던 것입니다. 그리고 실제 시울프호에서 소듐 노출사고가 발생함에 따라, 미국 해군은 시울프함을 절개해 소듐 원자로 체계를 제거하고 여기에 노틸러스호와 동일한 경수로 원자로를 다시 장착하였습니다.
구소련의 납-비스무트 원자로 개발
구소련도 1940년대 후반부터 미국처럼 원자로 효율을 높이고자 소듐(나트륨) 냉각재를 사용하는 원자로를 연구했고, 그 과정에서 폭발사고를 여러 번 겪었습니다.
그래서 구소련 기술자들은 폭발성이 높은 소듐(나트륨) 대신에 납-비스무트 냉각제를 사용하는 소형 고출력 원자로를 연구하기 시작했으며, 이를 탑재하는 잠수함이 바로 세계최고 속도를 자랑하는 알파급 잠수함입니다.
알파급 잠수함을 위해 개발된 OK-550과 BM-40A 원자로는 4세대 원자로와 같은 고속증식로 기술은 없었지만, 그 대신에 냉각재를 123도의 온도에서 녹는 납-비스무트로 교체해 열전달 효율이 아주 우수하였습니다.
◆ 서방 해군의 경악!
구소련은 1950년대부터 다양한 원자력 잠수함을 건조하기 시작했지만, 하나같이 소음이 엄청나 서방 해군의 최신 잠수함은 멀리서 탐지할 수 있었습니다. 그리고 미국 해군이 1972년에 등장시킨 Mk 48 중어뢰는 무려 45노트의 최대속도를 자랑해 충분히 장거리에서 구소련 원자력 잠수함을 격침시킬 수 있었기에 크게 염려하지 않았습니다.
NATO 해군이 대잠훈련을 수행하는 과정에서, 서방 소나맨들은 새로운 잠수함 소음을 탐지할 수 있었습니다.
그 소음은 상당히 컸기에 서방 해군은 처음에는 놀라지 않았지만, 그 소음원이 무려 42노트의 속도로 움직임은 물론, 작전심도가 1,000m에 가까워 서방 해군을 경악시켰습니다. 당시 서방이 보유한 어떠한 중어뢰 및 경어뢰도 그 속도와 심도에 도달할 수 없었던 것입니다.
알파급 잠수함의 등장
구소련 기술진들이 건조한 알파급 잠수함 초도함의 진수는 1971년이었으며 시험항해 당시 무려 44.7노트(83km/h)를 기록하였으며, 최대 잠항심도는 1,200m에 달하였습니다.
이와 비교해 당시 미국 원자력 잠수함의 최대속도는 35노트(65km/h) 정도에 최대 작전심도는 350m 수준에 불과하였습니다.
이렇게 엄청난 혁신이 가능했던 이유는 납-비스무트 냉각재를 사용해 경수로보다 훨씬 효율이 높은 OK-550 혹은 BM-40A 원자로를 사용하고 있었기 때문입니다.(양자 모두 동일한 납-비스무트 냉각체계입니다.)
이들 원자로는 가압 경수로와 비교해 체적당 훨씬 높은 출력(155MW)을 발휘함과 동시에, 전달 효율이 높은 납-비스무트 냉각체계를 통해 수상배수량이 2,310톤에 불과한 잠수함에 무려 47,000마력의 출력을 공급할 수 있었습니다.
덧붙여 구소련은 잠수함에 사용되는 최신 고항복 강철과 동등 이상의 강도를 가지면서도 중량은 30~40% 정도 가벼운 티타늄 합금을 사용해 아주 튼튼하고 가벼운 선체를 건조할 수 있었습니다. 당연히 서방의 입장에서는 중어뢰보다 빠르고 깊이 잠수하며, MAD(자기탐지기)로도 찾아낼 수 없는 신형 잠수함에 경악할 수밖에 없었다.
한국형 원자력 잠수함은?
국내에서도 엄청난 잠재력을 가진 납-비스무트 원자로가 개발함은 물론, 여기에 추가해 40년 운용수명을 가지도록 4세대급 원자로 기술을 적용할 계획입니다.
당연히 2028년 이후에 등장할 장보고-Ⅲ BatchⅢ급에 4세대 납-비스무트 원자로를, 만약 4세대가 좀 무리수가 있다면 최소한 납-비스무트 원자로 개발이 필요하다는 견해가 대두되고 있습니다.
밀리터리 리뷰 이지 2102호는 한국에서 개발을 시작한 4세대 납-비스무트 원자로 개발현황과 특징을 분석함과 동시에, 한국형 원자력 잠수함에 적용할 수 있는 원자로 기술에 대해 자세히 분석해 보았습니다.
작성일 : 21-06-07 01:20
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