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고온 가스로형 원자로

북일고등학교

장래민

김지오

박상준

정현승

abstract

지구 온난화의 심화로 인해 대두된 신에너지의 중요성에 따라 많은 주목을 받고 있는 수소에너지의 단점을 보완하기 위한 방안인 고온 가스로형 원자로에 대해 탐구하였다. 제시한 보고서에 작성된 질문에 대한 답변을 작성함과 동시에 초고온 가스로형 원자로에 대한 추가적인 탐구를 진행하여 수소 에너지의 단점을 보완하고 미래 사회에 널리 사용될 수소에너지의 기술적, 경제적 어려움을 극복할 기틀을 마련했다.

목차

1. 서론

2. 본론

2.1. 고온가스로형 원자로

2.2. 질문 답변

2.3. 초고온 가스로형 원자로

3. 결론 및 제언

4. 참고문헌

Ⅰ		서론

현재 전세계는 지구온난화와 기후위기라는 거대한 문제점에 직면해있다. 지구온난화의 가속화로 인해 발생하고 있는 여러 환경 문제들이 인류가 의존하고 있는 화석 연료 기반 에너지의 사용에 대한 문제점을 부각하고 있다. 이에 따라 새로운 형태의 에너지가 주목을 받으며 환경 친화적이고 지속 가능하다는 장점을 지닌 신에너지의 개발에 대한 관심이 높아졌다.  화석연료를 이용하여 에너지를 생산하는 것은 많은 환경 오염을 일으키고 매장된 자원의 양이 유한하기에 신규 에너지의 발전이 필수적이라고 볼 수 있다. 이에 따라 많은 분야의 신에너지가 개발되고 있지만, 그중에서도 수소 에너지에 대한 개발이 가장 활발히 이루어지고 있다.

수소에너지는 청정성과 다양성을 지닌 신에너지로서 미래 에너지 사회의 중심으로 평가받고 있다. 수소는 연소했을 때 오염물질을 거의 배출하지 않고 물만 배출하는 궁극의 친환경 에너지로 손꼽힌다. 특히 풍력이나 태양광 에너지와 같은 재생에너지로 전기를 생산할 때 발생한 잉여 전력을 수소 형태로 저장할 수 있어서 재생에너지의 불안정성과 간헐성을 효과적으로 보완해준다. 또한, 수소는 다양한 원료와 기술을 바탕으로 생산될 수 있다. 천연가스 개질, 부생가스 활용, 물의 전기분해 등 여러 방식이 병행될 수 있기 때문에 자원의 제약이 상대적으로 적다. 이로 인해 국내에서 직접 생산하여 사용할 수 있기에 에너지 수입 의존도를 완화할 수 있다. 높은 에너지 밀도와 가벼운 분자량 덕분에 장거리 운송, 대용량 저장, 산업 및 교통 등 여러 분야에서의 적용이 가능하며, 특히 수소전기차, 선박, 항공 등 차세대 운송수단의 핵심 동력원으로 주목받고 있다.

하지만 수소에너지는 아직 한계가 존재한다. 수소 에너지에 사용되는 수소는 자연상태로 존재하지 않기에 대부분 물을 전기 분해하여 인공적으로 생산되는데, 이 방법은 에너지 소모가 많음과 동시에  투입된 전기에 비해 변환되는 수소의 양이 현저히 적기에 효율이 좋지 못하다. 또한 생산 과정에서 사용되는 전기도 화석 연료를 기반으로 한다면 환경 친화적인 에너지라고 볼 수 없다. 게다가 전기분해를 하기 위한 설비, 저장과 운송 인프라 구축 등의 초기 투자 비용이 높다. 그렇기에 대규모 수소 생산에 필요한 발전소, 물자원, 토지 등이 제한적이기 때문에 대량 공급이 어렵다. 수소는 에너지 밀도가 낮고 작은 분자이기에 저장과 운송 과정에서 누출이 쉽기 때문에 효율적이고 안전한 대량 운송이 기술적으로 쉽지 않고 비용도 많이 든다.

이처럼 기대와 한계를 동시에 보유하고 있는 수소에너지가 미래의 에너지 산업의 주역이 되기 위해서는, 지금까지와는 다른 혁신적인 접근이 요구된다. 최근 이러한 필요성을 반영하여 기존의 원자력 기술을 응용한 ‘고온 가스로형 원자로’가 주목받고 있다. 이 기술은 친환경적임과 동시에 대량의 고온 열을 생산할 수 있어서 효율적이면서도 환경 문제를 최소화하는 방식으로 수소를 대규모로 생산할 수 있는 실질적인 대안을 제공할 수 있다.

본 보고서에서는 이러한 내용들을 바탕으로 수소에너지의 가치와 현황, 그리고 남은 과제를 먼저 알아보고, 이어서 고온 가스로형 원자로를 통한 수소 생산이 어떤 의미를 갖는지 심층적으로 탐구하고자 한다.

Ⅱ		본론

2.1. 고온 가스형 원자로

고온가스형 원자로(HTGR)는 핵분열로 발생한 고온의 열에너지를 비활성 기체인 헬륨 냉각재를 통해 안정적으로 외부로 전달하는 4세대 원자로이다. HTGR은 크게 원자로 본체, 연로 장전부, 냉각재 순환계, 제어봉 계통 등으로 구성되며, 일반적으로 700C 내외의 고온의 열을 안정적으로 발생시킬 수 있다. HTGR은 특별한 연료인 TRISO라는 입자 연료를 사용한다. 이 연료는 우라늄을 여러 겹의 피복층으로 구성하여 1600C 이상의 온도에서도 안정적으로 기능을 유지할 뿐만아니라 방사선 물질의 누출을 극히 낮게 유지할 수 있어 안정성이 매우 뛰어나다. 감속재는 흑연을 사용하여 핵분열 반응을 조절하고, 중성자의 속도를 낮춰 연쇄 반응이 안정적으로 일어나도록 도와주는 역할을 한다. 냉각재는 헬륨을 사용하여 반응 중에 방사능에 오염되지 않고, 내부를 안전하게 식히는 역할을 한다.

2.2. 질문 답변

고온가스로형 원자로(HTGR)와 S-I(황-요오드) 사이클을 결합한 수소 생산은 이론적으로 높은 효율과 대규모 열공급의 안정성이 장점이나, 산업 현장으로 바로 확장하려면 고온 환경에서의 장기적 신뢰성(재료·구조의 열화)과 공정의 정밀·안전 제어가 가장 시급한 문제로 드러난다. HTGR은 700°C 이상, VHTR은 900°C 내외의 매우 높은 온도를 다루기 때문에 열교환기·배관·반응기 내부 재료와 접합부의 반복 열사이클과 부식 환경에서의 성능 저하, 미세균열 누적이 장기간 운전의 핵심 리스크가 된다. 또한 S-I 사이클은 온·압·조성의 정확한 제어가 수율과 안전성에 직접적으로 연결되므로, 공정 이상 시 빠르고 정교하게 대응할 수 있는 자동제어 및 결함탐지 체계가 필수적이다. 이를 해결하기 위해 제안하는 실용적 접근은 다음과 같다.

첫째, 신소재공학 분야에서 금속/세라믹 복합재, SiC 강화 복합체, Ni-기반 초합금계 표면처리와 같은 내열·내산화·내식성 부품을 개발한다. Hastelloy·Inconel 계열 및 SiC 기반 복합소재는 이미 고온·부식성 환경에서의 적용 사례가 보고되어 있으며, 이들을 반응기·열교환기 표면에 다층 코팅 또는 금속-세라믹 접합구조로 적용하면 열응력과 부식 저항성을 동시에 개선할 수 있다.

둘째, 제어공학·전력전자·AI(예측유지보수, PHM)분야에서의 융합을 통해 공정의 실시간 감시·예측·대응 능력을 확보한다. 고정밀 온도센서, 유량센서, 내부 삽입형 열전대와 함께 머신러닝 기반 이상탐지 및 잔존수명 예측 알고리즘을 적용하면, 열사이클로 인한 손상 징후를 조기에 포착하고 계획외 정지를 줄일 수 있다. 최근 관련 분야에서 AI 기반 최적화·예지보수 기술의 상용화 사례가 늘고 있어(산업용 AI 솔루션), 원자로-열공정 통합 운전에도 적용 가능성이 높다.

셋째, 공정·기계·재료의 통합설계를 도입해 설계단계부터 열응력·부식·피로를 시뮬레이션하고, 실제 운전 데이터를 피드백하여 설계·운전 파라미터를 보정한다. 이 세 가지 융합은 단독으로는 성과를 내기 어렵고, 상호보완적으로 적용될 때 고온수소 생산 설비의 신뢰성과 경제성을 확보할 수 있다.

재료 개선과 병행하여 반드시 손봐야 할 또 하나의 축은 공정 제어와 이상 탐지 시스템이다. S-I와 같은 열화학 공정은 온도·압력·조성 변화에 민감하므로, 미세한 편차도 수율 저하나 안전 리스크로 연결될 수 있다. 그래서 단순한 온도계·유량계에만 의존하는 기존 제어로는 한계가 있어, 고온용 정밀 계측과 AI 기반 예지보수가 필수적이다 구체적으로는 다음과 같이 구성하는 편이 효과적이다.

첫째, 반응기 내부와 핵심 배관에는 고온용 열전대(Type N, W/Re 등)과 함께 광섬유 분포형 센서(DFOS/FBG)를 설치해 온도와 변형을 분산 측정한다. 광섬유 센서는 전기적 간섭에 강하고 고해상도 분포측정이 가능하므로, 국부적 과열이나 응력집중을 조기에 포착하는 데 유리하다.     둘째, 수집된 실시간 데이터를 바탕으로 디지털 트윈을 구축한다. 설계 단계의 유한요소 해석(FEA) 및 열유동해석(CFD) 결과를 디지털 트윈에 통합하고, 실제 센서 데이터로 지속 보정하면 설계와 현실 운영 간의 간극을 줄일 수 있다.

세 번째로, 디지털 트윈 위에 머신러닝 기반의 PHM(Predictive Health Management) 알고리즘을 올려 고장 전 징후를 분류하고 잔존수명(RUL)을 예측하도록 한다. 이상 감지 시에는 제어시스템이 자동으로 운전 조건을 완화하거나, 필요 시 안전히 셧다운하는 지침을 실행하게 하면 사람의 개입 시점과 빈도를 줄여 안전성과 경제성을 동시에 확보할 수 있다.

이 제어·계측 체계의 기대효과는 명확하다. 조기 이상 검출로 인해 큰 고장으로 발전하는 것을 막아 설비 가동률을 높이고, 계획정비로 전환하여 유지보수 비용을 줄일 수 있다. 또한 실시간 최적화로 공정 효율(수소 수율)을 높일 수 있어 경제성 개선에 직접적으로 기여할 수 있다.

기술적 해결책이 준비되더라도 실제 도입 단계에서는 환경적·사회적 문제가 또 다른 큰 장벽으로 작용한다.

첫째는 방사성 폐기물과 방사선 안전성에 대한 우려다. HTGR은 설계상 피동적 안전성을 갖지만 연료 교체나 오염된 부품 처리 과정에서 폐기물이 발생한다. 이에 대한 신뢰를 확보하려면 폐기물의 발생 예측, 처리 루트, 비용 분담 계획을 사업 초기부터 투명하게 공개하고 독립적 평가를 받는 것이 필수적이다.

둘째는 S-I 공정에 사용되는 강산(황산)과 요오드계 화학물질의 누출 위험이다. 이 문제는 설계 단계에서부터 다중 방어(다중 밀폐, 이중 차단 밸브, 자동 중화장치), 실시간 화학감시 센서, 비상대응 절차를 넣어 기술적으로 해결해야 한다. 특히 지역사회에 미치는 영향을 낮추려면 배출수·폐기물의 모니터링 데이터를 공개하고, 사고 시 즉각 대응 가능한 독립적 비상대응팀을 마련하는 것이 신뢰 구축에 도움이 된다.

셋째는 공공 수용성이다. 원자력 연계 프로젝트에 대한 주민 불안은 단기간에 해소되기 어렵다. 따라서 투명한 정보 제공, 주민 참여형 영향평가, 시범사업 운영 결과의 단계적 공개가 필요하다. 시범사업 단계에서 안전성과 경제성을 객관적으로 입증하고, 그 자료를 기반으로 주민 설명회를 지속하면 수용성 개선에 긍정적 영향을 줄 수 있다.

마지막으로 제도적·경제적 뒷받침이 있어야 한다. 원자력 규제와 화학 안전 규정이 중첩되는 만큼 통합 인허가 창구를 마련하고, 초기 높은 투자비를 완화하기 위한 정부 보증·저리융자·장기 구매계약(H₂ 구매보장) 같은 정책적 수단이 병행되어야 사업 타당성이 확보된다. 이러한 기술·제도·사회적 조치가 함께 가야만 실제 산업 적용이 가능하다는 점을 강조하고 싶다.

3. 초고온 가스로형 원자로

초고온가스로형(VHTR, Very High Temperature Reactor)은 냉각재로 헬륨을, 감속재로 흑연을 사용하며 900℃ 이상의 고온까지 운전 가능한 4세대 원자로 중 하나로, 원자력 에너지를 활용하여 안전하게 고열을 생산할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있다. 특히 VHTR 원자로는 기존의 수전해 기반 수소 생산 방식과 달리, 고유의 안정성을 확보하면서도 열화학적 분해 공정을 통해 전기 없이 수소를 직접 생산한다는 점에서 큰 의미를 가진다. 따라서 본 보고서에서는 우선 VHTR의 고유 안정성을 살펴보고, 이후 대표적인 수소 생산 사이클인 S-I(황–요오드) 사이클과 그 효율을 구체적으로 분석하고자 한다.

우선, VHTR의 고유 안정성은 두 가지 핵심 요소로 설명할 수 있다. 첫째는 세라믹 피복 핵연료이다. 세라믹 피복 핵연료는 0.5 mm 내외의 우라늄 입자 하나하나를 여러 겹의 흑연과 탄화규소(SiC) 등 세라믹 재료로 감싸 약 1 mm 크기의 구형 피복입자 형태를 이룬다. 이러한 다층 피복 구조는 1800℃ 이상의 고온에서도 방사성 물질이 외부로 누출되지 않도록 하여, 사고 시에도 안전성을 크게 높여준다. 둘째는 고온 원자로의 자연 냉각 및 열전도 특성이다. VHTR은 고체 흑연 감속재와 헬륨 냉각재를 사용하여, 비상 상황에서도 별도의 외부 전원이 없이 자연적인 열전달 메커니즘에 의해 잔열을 제거할 수 있다는 장점이 있다. 이는 원자로의 본질적인 안전성을 보장하는 핵심 요인이라 할 수 있다.

다음으로, VHTR을 활용한 수소 생산의 핵심 원리는 S-I (Sulfur–Iodine, 황–요오드) 사이클이다. 이 사이클은 물을 산소와 수소로 분해하는 열화학적 공정으로, 세 가지 주요 순환 반응으로 구성된다. 이를 단계별로 해석하면 다음과 같다.

첫째, 분젠 반응(Bunsen reaction) 단계에서는 대략 120℃에서 물(H₂O), I₂, SO₂가 반응하여 HI-rich 액상과 H₂SO₄-rich 액상으로 분리된다. 여기서 HI-rich는 3단계로 이동하고, H₂SO₄-rich는 농축 과정을 거쳐 2단계로 이동한다.

둘째, 황산 분해 단계는 약 830~900℃에서 진행된다. 이 과정에서 H₂SO₄-rich는 분해되어 SO₂(기체), H₂O(증기), O₂(기체)를 생성한다. 생성된 SO₂와 H₂O는 다시 1단계로 되돌아가 순환에 이용되며, O₂는 부산물로서 외부로 배출된다.

셋째, 요오드화수소 분해 단계에서는 1단계에서 얻은 HI-rich가 분해되어 최종적으로 H₂(기체)와 I₂(고체/증기)가 생성된다. 이때 H₂는 최종 생산물로 활용되며, I₂는 다시 1단계로 순환되어 반응에 재사용된다.

이처럼 S-I 사이클은 단순히 반응물을 소모하는 것이 아니라, 생성된 부산물을 반복적으로 재활용하여 지속적이고 효율적인 반응이 가능하다는 특징을 가진다. 이는 대규모 수소 생산에 적합한 순환형 시스템임을 보여준다.

실험적 계산 예시로, 효율 45%인 1 GW 규모의 HTGR이 S-I 사이클을 통해 하루 동안 생산할 수 있는 수소량을 살펴보면 다음과 같다.

하루에 저장되는 에너지

EH₂ = Eday × 0.45

= 8.64×10^13 J × 0.45

= 3.888×10^13 J

수소 생성 질량 (LHV 기준)

LHV(H₂) = 120×10^6 J/kg

mH₂ = EH₂ ÷ LHVH₂

= 3.888×10^13 J ÷ 120×10^6 J/kg

= 324,000 kg = 324 t/day

단위열량당 수소 발생량

원열 1 J당 수소 질량 = 3.75×10^-9 kg/J

이를 환산하면 3.75 kg/GJ, 13.5 kg/MWh, 13.5 g/kWh가 된다.

즉, 1 GW HTGR은 하루 약 324톤의 수소를 생산할 수 있으며, 이는 대규모 수소 공급원으로서 VHTR-S-I 시스템의 실현 가능성을 뒷받침한다.

이제 수소 생산 방식별 효율 및 탄소 배출 특성을 비교해보자.

그레이 수소는 천연가스(CH₄)를 수증기 메탄 개질(SMR) 공정을 통해 생산하며, 수소 1 kg당 약 9~11 kg의 CO₂가 배출된다. 효율은 약 65~70% 수준으로, 1 GJ당 약 5.42 kg의 수소가 생성된다.

블루 수소는 SMR 공정에 CCS(탄소 포집·저장)를 결합한 방식으로, CO₂ 배출량은 크게 줄지만 CO₂ 포집 과정에서 에너지가 소모되어 효율은 다소 낮아진다. 1 GJ당 약 5 kg의 수소가 생산된다.

그린 수소는 태양광, 풍력 등 재생에너지 전기로 물을 전기분해하여 생산된다. 탄소 배출이 없어 가장 친환경적이며, 효율은 약 65~80% 수준이다. 1 MWh(3.6 GJ)당 약 21 kg의 수소를 생산할 수 있어, 동일 에너지 기준으로는 그레이 수소보다 약 1.5배 적은 생산량을 보인다.

여기까지의 내용을 바탕으로 두 가지 심화 과제를 다룰 수 있다.

첫째, S-I 사이클의 온도와 수소 수율 관계 분석이다. 분젠 반응은 120℃ 전후에서 효율적으로 진행되지만, 황산 분해와 요오드화수소 분해는 흡열 반응으로 고온일수록 정반응 쪽으로 평형이 이동하여 수율이 증가한다. 예컨대 HI 분해율은 450℃에서 약 20%이지만, 500℃에서는 25% 이상으로 높아질 수 있다. 따라서 실제 공정에서는 촉매 활성도, 부반응 억제, 내열 재료의 한계 등을 종합적으로 고려하여 최적 온도를 설정해야 한다.

둘째, 금속–세라믹 접합 구조물의 열응력 문제 분석이다. VHTR-S-I 시스템의 핵심 부품인 열교환기는 금속과 세라믹의 접합 구조를 갖는데, 두 재료의 열팽창계수 차이로 인해 반복적인 열사이클에서 큰 응력이 발생한다. 가열 시 금속은 세라믹보다 더 많이 팽창해 압축 응력을 유발하고, 냉각 시에는 수축으로 인해 인장 응력을 유발한다. 이를 검증하기 위해 실제 운전 환경을 모사한 열사이클 반복 실험과, 유한요소법(FEM)을 통한 열응력 해석, 파괴역학을 활용한 균열 전파 분석이 필요하다. 이러한 연구 결과를 토대로 접합면 형상 최적화나 응력 완화층 도입 등 설계 개선 방안이 마련될 수 있다.

이와 같이 VHTR과 S-I 사이클은 원자력 기반 수소 생산의 새로운 가능성을 보여주며, 안정성과 효율성, 그리고 친환경성을 동시에 고려한 차세대 에너지 시스템으로서 중요한 연구 과제임을 알 수 있다.

Ⅲ		결론 및 제언

고온 가스로형 원자로를 이용한 수소 생산 기술이 현재 겪고 있는 기술적, 경제적 어려움을 극복한다면 인류의 에너지 체계와 사회 모습은 지금과 크게 달라질 수 있다. 지금까지 수소 생산은 효율이 낮고 비용이 많이 들며, 화석연료를 바탕으로 해서 탄소가 배출되는 문제가 있었다. 하지만 고온 가스로형 원자로를 활용하면 고온 열을 직접 이용해 많은 양의 수소를 안정적이고 저렴하게 만들 수 있다. 이렇게 되면 깨끗하고 값싼 대량 수소 라는 지금까지 불가능했던 목표가 실현될 수 있다. 이는 단순히 새로운 에너지원이 하나 생기는 것이 아니라, 에너지의 생산,운송,활용 방식 전체가 새롭게 바뀌는 계기가 될 수 있다.

첫째는 에너지 운송 방식이 달라진다. 지금의 전력망은 재생에너지의 불안정성과 장거리 송전에서 생기는 손실 때문에 한계가 있다. 하지만 대량의 수소가 안정적으로 공급된다면, 굳이 전기를 멀리 보내지 않아도 된다. 원자로 근처에서 수소를 만든 뒤, 액화 수소나 암모니아 같은 형태로 바꿔서 트럭, 배, 파이프라인으로 운반할 수 있기 때문이다. 이렇게 되면 국제적으로 새로운 수소 교역 시스템이 만들어지고, 지금의 석유·가스 운송망을 대체할 수 있다. 결과적으로 특정 국가에 의존하던 에너지 구조도 크게 완화될 것이다.

두번째는 산업 구조의 변화다. 고온에서 만들어진 값싼 수소가 충분히 공급된다면, 철강·시멘트·화학 산업처럼 탄소 배출이 많아 줄이기 어려웠던 분야에서도 친환경 전환이 가능하다. 예를 들어 철강 공정에서 석탄 대신 수소를 쓰면, 철광석을 제련하는 과정에서 이산화탄소가 아니라 물만 배출된다. 이처럼 오염을 많이 내뿜던 산업들이 수소 기반으로 바뀌면서 새로운 수소 산업 단지도 생길 수 있다.

셋째, 교통, 운송 분야의 혁신이다. 값싼 수소가 충분히 공급되면, 지금은 기술과 비용 문제로 어려운 수소 항공기, 대형 수소 선박, 장거리 수소 열차도 가능해진다. 단순히 자동차가 수소차로 바뀌는 정도가 아니라, 세계 교통,물류 체계 자체가 바뀔 수 있다는 뜻이다. 특히 항공과 해운 분야는 배터리로는 한계가 크기 때문에, 수소의 역할이 더 중요하다. 나아가 항만이나 공항, 산업단지에 소형 고온가스로형 원자로를 설치해 바로 수소를 생산하고 쓰는 분산형 에너지 체계도 가능해진다.

넷째, 사회와 경제의 변화다. 값싸고 깨끗한 수소는 단순히 에너지원의 변화에 그치지 않고, 새로운 산업과 일자리를 만들고, 국가의 에너지 자립도를 높여준다. 화석연료 수입에 의존하던 나라들도 스스로 에너지를 해결할 수 있고, 기술력이 있는 나라들이 에너지 경쟁에서 우위를 차지할 수 있다. 또 가정과 지역 단위에서도 연료전지나 수소 기반 난방을 활용하는 등 생활 속 에너지 이용 방식이 훨씬 다양해질 것이다.

결국 고온 가스로형 원자로를 활용한 수소 생산 기술이 현재의 한계를 뛰어넘는다면, 인류는 전기 중심 사회에서 수소 중심 사회로 이동하게 될 것이다. 그 과정에서 교통, 산업, 생활 전반이 지금보다 훨씬 친환경적이고 효율적인 모습으로 변할 것이다. 이는 단순히 기후 위기에 대응하는 수준을 넘어, 인류의 에너지 체계 자체를 한 단계 발전시키는 큰 변화이다. 고온 가스로형 원자로 기반의 수소 생산은 탄소 없는 에너지 사회를 여는 가장 중요한 열쇠가 될 것이다.

Ⅳ		참고 문헌

https://rmi.org/five-takeaways-from-ieas-report-on-world-energy-investment/?utm_source

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Gemini

https://blog.naver.com/trizkee/221714602867

김용완, 김응선, 이기영, 김민환. (2015). 초고온가스로를 이용한 원자력수소생산 기술개발. 기술과 교육, 3(4), 299-305.