일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
수소 대량 제조, CO₂ 배출 제로
일본원자력연구개발기구, 차세대형 ‘고온가스로’ 개발

-- 세라믹으로 연료를 감싸 안전성 확보 --
2011년의 도쿄전력 후쿠시마 제1원자력발전소 사고 이후, 원자력 기술에는 엄격한 시선이 몰리고 있다. 일본원자력연구개발기구는 기존의 원자력발전과는 다른 구조로 안전성을 높인 차세대형 원자로, ‘고온가스로’ 개발을 추진하고 있다. 고온을 이용해 이산화탄소를 배출하지 않고 수소를 대량으로 제조하는 등 발전 이외의 용도도 상정, 온난화 대책으로서의 실용화를 목표로 하고 있다.

이바라키(茨城) 현의 태평양 연안의 거의 중앙에 위치하는 오아라이(大洗) 정(町). 이곳의 원자력기구 오아라이 연구소에 ‘고온공학 시험연구로(HTTR)’가 있다. 1998년에 최초로 임계(臨界)한 고온가스로의 연구로이다. 현재는 재가동을 위해 원자력규제위원회의 안전 심사를 받고 있다.

-- 1998년에 최초 임계 --
“이것이 고온가스로의 연료입니다”. HTTR을 방문한 기자에게 관계자는 직경 1mm 정도의 작은 검은 입자가 들어있는 유리 용기를 보여주었다. 입자 중심에는 통상적인 원자발전의 연료로도 사용되는 우란이 삽입되어 있지만, 그 주위에는 내열성이 높은 세라믹이 4중으로 싸여있다. 입자는 원통형으로 구워져 원통을 쌓아 올리면 화로봉이 된다.

현재의 상업용 원자발전소는 경수로라고 불리는 것으로, 물로 원자로를 냉각시키는 구조다. 고온가스로는 화학적으로 안정적인 헬륨가스로 냉각된다. 연료의 입자를 둘러싼 세라믹이 고온에서도 방사성 물질을 가두기 때문에 후쿠시마 사고처럼 연료가 녹는 노심용해(Core meltdown)이 발생하지 않는다고 한다. 원자력기구의 구니토미(国富) 부부문장은 “고온가스로에는 고유의 안전성이 있다”라고 말한다.

핵 분열반응으로 발생되는 방대한 열은 헬륨가스로 인해 원자로 밖으로 운반된다. 원자력기구는 2004년, 섭씨 950도라고 하는 고온의 열을 만들어내는데 성공했다. 고온가스로에서 가장 중요한 것은 이 열의 사용 방법이다.

원자력기구는 헬륨가스로 가스터빈을 직접 가동하는 발전과 같은 수준의 대규모 수소 제조를 목표로 하고 있다. 3가지 화학 반응을 조합한 제조법 ‘IS프로세스’ 개발에서 성과를 내고 있다.

수소는 아이오딘화수소가 400도의 열을 통해 수소와 아이오딘으로 분해되는 반응으로 만들어진다. 더욱 높은 열이 필요한 것은 황산의 분해 반응이다. 900도에서 황산은 이산화유황(SO₂)과 산소, 물로 분해된다. 2가지 분해 반응으로 남은 SO₂와 아이오딘은 재이용되어 아이오딘화수소와 황산으로 돌아간다.

이 방법은 아이오딘과 황산을 순환시키면서 물에서 수소를 만들어내기 때문에 CO₂와 유해물질을 배출하지 않는다. 수소는 연료전지차 등의 이용 시에 CO₂를 배출하지 않지만 현재 주류인 화석 연료에서 수소를 만드는 과정에서는 CO₂가 배출된다. 근본적인 온난화 대책을 위해서는 ‘카본 프리(Carbon-free)’ 수소가 필요하다.

-- 장치 및 배관 연구 --
IS프로세스의 원리는 미국 기업이 고안한 것이지만, 원자력기구는 2004년, 유리로 만든 실험 장치를 통해 수소의 연속 제조를 세계 최초로 실현. 2016년, 공업 재료로 매 시간 20리터 이상의 수소를 31시간 계속 만드는 것에 성공했다.

유황과 아이오딘은 금속을 부식시키는 성질이 강하다. 원자력기구는 고온의 반응 조건에도 견디기 위해 장치는 세라믹 재료 외에도 배관 안쪽을 유리와 불소 수지로 가공하는 등 여러 부분에 독자적인 기술을 도입했다. 2019년에는 보다 긴 시간 제조하기 위한 실험도 실시할 방침이다.

하지만 아직 수소 제조를 위한 열은 전기 히터로 공급하고 있다. 원자력기구는 발전용 가스터빈 및 규모를 대형화한 수소 제조 장치를 HTTR에 접속해 2027년에 일체화된 운전을 시작할 계획이다. 가스터빈발전은 2030년경, 수소 제조는 2040년경의 상용화할 계획이다.

일본의 연구로, 1990년대에 가동
중국, 실증로 건설

고온가스로 개발 역사는 길어, 영국과 미국, 독일의 실험로가 1960년대에 운전을 시작했다. 대형화된 경수로는 상업화가 추진된 반면, 고온가스로는 침체되어 있었다. 일본은 미쓰비시중공업과 원자연료공업(原子燃料工業), 동양탄소(東洋炭素) 등의 기업들이 참가해 국산 기술을 개발, 1990년대에 연구로를 가동시켰다.

현재는 원자력발전소의 기술 수출을 노리는 중국의 움직임이 눈에 띄고 있다. 일본의 연구로(열 출력 3만킬로와트(kW))를 상회하는 출력 25kW의 실증로 2기를 건설, 상용로도 중국 내 6곳에서 계획이 추진되고 있다.

원자력기구는 폴란드의 연구소와 2017년에 연구 협력 MOU를 체결, 기술 개발의 구체적인 분담을 협의 중이다. 폴란드에는 화학 공장으로의 열 공급을 석탄 화력에서 고온가스로로 전환해 온난화 가스를 근본적으로 줄이려 하고 있다. 하지만 일본과의 협의가 난항일 경우, 중국과 협력할 가능성도 나오고 있다.

후쿠시마 발전소 사고 이후, 경수로의 안전 대책 비용이 증가해 고온가스로는 상대적으로 경제성이 높아졌다. 하지만 화학 플랜트인 수소 제조 설비를 원자로와 연결할 때의 안전 기준은 아직 정비되지 않았다. 고온가스로의 열을 폭 넓게 활용하기 위해서는 발전 및 수소 제조의 효율성을 높이는 것만이 아닌, 열 이용을 포함한 전체의 안전성을 확립할 필요가 있다.

▶ 고온가스로와 수소 제조의 개발 동향
1960~1980년대: 영국, 미국, 독일의 연구로가 가동
1998년: 일본의 연구로 ‘HTTR’이 최초 임계
2004년: 일본, 유리제 장치로 수소의 연속 제조에 성공
2016년: 일본, 공업 재료 장치로 수소 제조에 성공
2019년: 중국, 실증로 발전 개시
2027년경: 일본, HTTR과 수소 제조 설비를 연결한 운전 시험
2030~2040년대: 발전 및 수소 제조의 상용화

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