중국, 고비 사막에 최초의 토륨 용융염 원자력 발전소 건설
윌 잭슨 지음
주제: 핵 에너지
3시간 전
고체와 액체 상태의 불소염 샘플 두 개
고체와 용융 액체 상태의 불소염 샘플 두 개 (제공: 오크리지 국립연구소)
간단히 말해서:
중국은 용융염을 연료 운반체와 냉각수로, 토륨을 연료로 사용하는 세계 최초의 원자력 발전소를 건설할 계획입니다.
전문가들은 이 원자로가 기존 원자로보다 “본질적으로 더 안전”하고 다른 장점도 있다고 말하지만, 과학자들은 과열된 방사성 염의 부식성과 같은 문제에 오랫동안 어려움을 겪어 왔습니다.
다음은 무엇일까요?
연구 시설 건설은 내년에 시작되어 2030년에 가동될 예정이며, 그 후 본격적인 생산이 이어질 예정입니다.
중국은 고비 사막 가장자리에 세계 최초로 용융염을 연료 운반체와 냉각제로 사용하는 원자력 발전소를 건설할 계획입니다.
또한 전통적으로 핵 반응로에서 사용되는 우라늄 대신 방사성 금속 원소인 토륨(노르웨이 신의 이름을 따서 명명됨)을 연료원으로 사용하는 최초의 발전소가 될 것입니다.
용융염 원자로는 기존의 수냉식 원자로보다 “본질적으로 더 안전하다”고 여겨지지만 과열된 방사성 염으로 인한 부식과 폐기물 처리 문제와 같은 추가적인 문제에 직면해 있습니다.
사우스 차이나 모닝 포스트에서 처음 공개한 토륨 용융염 원자로(TMSR) 계획은 상하이 응용물리학 연구소(SINAP) 웹사이트에 간략하게 게시된 후 삭제된 환경 평가 보고서에 자세히 나와 있습니다.
도로와 건물 몇 개가 있는 건조한 풍경의 공중 사진.
TMSR이 건설될 부지의 공중 사진. (제공: 상하이 응용물리학 연구소)
보고서에 따르면, 같은 장소에 있는 프로토타입 TMSR은 2메가와트의 열 에너지를 생산하도록 설계되었지만 실제 전기는 생산하지 않았고, 작년 10월에 임계점에 도달했습니다.
프로토타입의 결과를 바탕으로, 새로운 시설은 60MW의 열을 생산하여 더 큰 재생 에너지 연구 허브의 일부로 10MW의 전기와 수소를 생성하는 데 사용됩니다.
보고서는 이 프로젝트가 “다수의 재료와 고급 장비 제조 기술의 개발을 촉진할 것”이라고 밝혔습니다.
용융염 원자로의 장점으로 “높은 고유 안전성, 낮은 핵폐기물, 핵확산의 물리적 예방 및 더 나은 경제성”을 꼽았습니다.
또한 TMSR은 물이 필요하지 않기 때문에 지하와 건조 지역에 건설할 수도 있다고 언급했습니다.
건조한 사막 풍경.
TMSR은 고비 사막 가장자리에 건설될 예정입니다. (제공: 상하이 응용물리학 연구소)
건설은 내년에 중국 북부 간쑤성 우웨이 근처에서 시작될 예정이며, 2030년에 완전 가동될 예정입니다.
원자로에서 나오는 폐기물은 고비 사막 지하에 저장될 예정입니다.
SINAP은 ABC의 논평 요청에 응답하지 않았습니다.
이 프로젝트는 중국이 2060년까지 탄소 중립을 달성하려는 캠페인의 일환이며, 베이징은 새로운 유형의 대형 원자로와 소형 모듈형 원자로(SMR)를 포함한 다양한 재생 에너지 기술에 대한 연구에 자금을 지원하고 있습니다.
SINAP이 중국 과학 저널 Nuclear Techniques에 이전에 발표한 논문에 따르면, 중국은 2030년부터 100MW TMSR을 생산할 계획입니다.
원자로는 전통적인 민간 에너지 목적으로 사용되지만, 일부는 군함, 항공기, 심지어 드론에도 전력을 공급할 수 있다고 제안했습니다.
작년에 중국의 한 조선소는 작은 TMSR을 사용할 거대한 핵 추진 컨테이너선 설계를 공개했습니다.
체르노빌 원자력 발전소의 평면도에는 폭발로 인해 건물의 절반이 파괴된 모습이 나와 있습니다.
체르노빌의 4호 원자로는 1986년 4월에 화재가 발생하여 폭발했고, 우크라이나, 벨로루시, 러시아 및 유럽의 다른 지역에 방사능 먼지 구름이 퍼졌습니다. (Reuters: YK/AS)
기존의 원자로보다 ‘본질적으로 안전’
기존의 수냉식 원자로는 물이 증기로 변하지 않도록 고압에서 작동해야 합니다. 거대한 압력솥처럼요.
용융염은 훨씬 더 높은 온도에서 증발하므로 원자로에 같은 방식으로 압력을 가할 필요가 없습니다.
또한 시스템이 과열되거나 전력이 끊어지면 녹도록 설계된 “냉동” 소금 플러그가 포함되어 있어 용융염이 냉각되고 응고되는 저장소로 배출되어 핵 반응이 중단됩니다.
전문가들은 이것이 후쿠시마와 체르노빌에서처럼 재앙적인 붕괴가 일어날 위험이 적다는 것을 의미한다고 말합니다.
용융염 원자로의 일반적인 설계를 보여주는 다이어그램.
미국 에너지부에서 원래 개발한 용융염 원자로의 설계를 보여주는 다이어그램. (ABC 뉴스: 재로드 팡하우저)
호주 핵 협회 회장인 마크 호는 b 용융염 원자로는 가압할 필요가 없기 때문에 수냉식 원자로보다 작을 수 있습니다.
호 박사는 중국이 디젤 발전기가 대부분의 전기를 공급하는 태평양 섬나라에 이러한 “소형화된” 원자로를 제공할 수 있다고 말했습니다.
“가압되지 않은 코어는 본질적으로 더 안전한 설계를 의미합니다.” 호 박사는 말했습니다.
그는 중국의 용융염 원자로 프로그램의 초기 성공은 호주가 첨단 원자력 기술에서 얼마나 뒤떨어져 있는지를 보여주었다고 말했습니다.
그는 “이는 원자력 금지로 인해 도움이 되지 않습니다.”라고 말했습니다.
한편 토륨은 우라늄에 비해 연료로서 잠재적인 이점이 있습니다. 수명이 짧은 방사성 폐기물을 생성하고 핵무기에 사용하기가 더 어렵기 때문입니다.
또한 우라늄보다 훨씬 풍부하며, 특히 중국에서 그렇습니다.
얇은 금속판이 들어 있는 유리 바이알과 ‘토륨’이라고 손으로 쓴 라벨
토륨은 우라늄보다 훨씬 풍부하며 호주는 세계에서 가장 큰 매장량을 보유하고 있습니다. (Wikimedia Commons: W Oelen)
SINAP 보고서에 따르면 중국의 입증된 토륨 산업 매장량은 약 280,000톤으로 인도의 약 340,000톤에 이어 두 번째로 많습니다.
이는 중국의 20,000년 에너지 수요를 충족시키기에 충분하다고 합니다.
이 소식은 중국 연구원들이 과거에 TMSR을 실행 불가능하게 만든 기술적 과제를 극복하는 데 적어도 어느 정도 성공했다는 것을 시사하기 때문에 과학계에서 흥분을 불러일으켰습니다.
여기에는 방사성 과열 염의 부식성과 토륨으로 핵분열을 달성하는 데 관련된 어려움이 포함됩니다.
호주 국립대학교 명예 조교수이자 핵 엔지니어인 토니 어윈은 TMSR이 “많은 잠재력을 가진 흥미로운 기술”이라고 말했습니다.
그는 더 높은 작동 온도가 산업용 애플리케이션에 공정 열을 공급하는 데 사용될 수도 있다고 지적했습니다.
그는 “[중국 연구원들은] 매우 보수적인 단계를 밟는 경향이 있습니다.”라고 말했습니다. “천천히 시작해서 시연하고 다음 단계로 넘어갑니다.”
그는 상업용 발전소의 예상 수명인 60년 동안 발전소가 지속되도록 하는 것이 큰 과제라고 말했습니다.
그는 “하지만 재료 분야에서는 엄청난 진전이 이루어지고 있습니다.”라고 말했습니다.
전선과 금속 요소가 있는 원형 구조의 내부 모습. 한 남자가 흰색 안전모를 쓰고 안에서 작업하는 모습이 보인다
오크리지 국립연구소의 용융염 토륨 원자로는 1969년에 폐쇄되었다. (위키미디어 커먼즈: ORNL)
원래 항공기용으로 의도됨
미국 과학자들은 1940년대에 처음으로 용융염 원자로를 조사하기 시작했으며 항공기에 설치할 수 있을 만큼 작게 만들 수 있기를 바랐다.
작동하는 TMSR이 테네시주의 오크리지 연구소에 건설되었지만 일련의 문제와 오작동을 겪었고 1969년에 폐쇄되었고 토륨은 사실상 우라늄으로 대체되었다.
고비 사막에 건설된 2MW TMSR은 그 이후로 지속적인 핵분열을 달성한 최초의 원자로였다.
최근 몇 년 동안 이 기술을 연구해 온 사람은 중국의 연구자들뿐이 아니다.
세계에서 가장 큰 매장량을 보유한 인도는 오랫동안 토륨을 전력원으로 개발하려 노력해 왔고, 인도네시아와 다른 나라들도 TMSR에 관심을 표명했습니다.
핵 에너지란 무엇이고 어떻게 작동할까요?
사진은 4개의 원자력 발전소 굴뚝에서 증기가 나오는 모습을 보여줍니다. 4개의 원자력 발전소 굴뚝에서 증기가 나옵니다.
핵 에너지는 지금 헤드라인을 장식하고 있습니다. 그래서 에너지 전문가들에게 그것이 정확히 무엇인지 설명해 달라고 요청했습니다.
여러 민간 기업도 상업용 토륨 동력 및/또는 용융염 원자로를 가동하기 위해 경쟁하고 있습니다.
여기에는 빌 게이츠의 TerraPower가 포함되는데, 이 회사는 와이오밍에 고농축 저농축 우라늄으로 가동되는 345MW 용융염화물 염냉각 원자로를 건설할 계획입니다.
그러나 모든 사람이 TMSR의 잠재력을 믿는 것은 아닙니다.
연구자들은 용융염 원자로를 포함한 SMR에서 나오는 폐기물이 기존 원자로에서 나오는 폐기물보다 더 해롭고 폐기하기 어려울 수 있다는 우려를 제기했습니다.
물리학자 MV 라마나는 Bulletin of the Atomic Scientists에 “용융염 원자로가 건설된다면 안정적으로 작동할 가능성은 낮습니다.”라고 적었습니다.
“그리고 배치된다면 다양한 안전 및 보안 위험이 발생할 가능성이 큽니다. 그리고 여러 가지 다른 폐기물 스트림이 생성될 것이고, 이 모든 폐기물은 광범위한 처리가 필요하고 폐기 관련 문제에 직면하게 될 것입니다.
“용융염 원자로에 투자하는 것은 비용이나 노력에 비해 가치가 없습니다.”
호주에 미치는 영향?
연방 야당은 최근 다음 선거에서 이긴다면 일련의 원자력 발전소를 건설하겠다고 발표했습니다.
그러나 Irwin 교수는 용융염 원자로는 호주에서 고려하기에는 아직 너무 멀다고 말했습니다.
“현재로서는 상업적 경로가 아니라고 생각합니다.”라고 그는 말했습니다.
“분명히 모든 사람이 주시하고 모니터링하고 있지만, 현재 상업적 경로는 여전히 경수로입니다.
China to build first-ever thorium molten salt nuclear power station in Gobi Desert
By Will Jackson
3h ago3 hours ago
In short:
China is planning to build the world’s first-ever nuclear power station using molten salt as the fuel carrier and coolant, and thorium as the fuel.
Experts say the reactors are “inherently safer” than traditional nuclear reactors and have other advantages, but scientists have long struggled with challenges such as the corrosive nature of the superheated radioactive salts.
What’s next?
Construction on the research facility is due to start next year with operation expected in 2030, followed by full-scale production.
abc.net.au/news/china-building-thorium-nuclear-power-station-gobi/104304468
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China is planning to build a nuclear power plant on the edge of the Gobi Desert that would be the first in the world to use molten salt as the fuel carrier and coolant.
It would also be the first to use the radioactive metallic element thorium — named after the Norse god — as a fuel source instead of the uranium traditionally used in nuclear reactors.
Molten salt reactors are considered “inherently safer” than traditional water-cooled reactors, but face additional challenges such as the corrosion caused by the superheated radioactive salts and issues with waste disposal.
Plans for the thorium molten salt reactor (TMSR), first revealed by the South China Morning Post, were detailed in an environmental assessment report that was briefly posted to the website of the Shanghai Institute of Applied Physics (SINAP) before being taken down.
According to the report, a prototype TMSR at the same location, which was designed to produce 2 megawatts of thermal energy but no actual electricity, achieved criticality in October last year.
Building on the results of the prototype, the new facility will produce 60MW of heat that will be used to generate 10MW of electricity and hydrogen as part of a larger renewable energy research hub.
The project would “drive the development of a large number of materials and high-end equipment manufacturing technologies”, the report said.
It cited advantages to molten salt reactors, including “high inherent safety, low nuclear waste, physical prevention of nuclear proliferation and better economics”.
It also mentioned that because TMSRs don’t require water, they could also be built underground and in arid areas.
Construction is due to start near Wuwei in China’s northern Gansu Province next year with full operation expected in 2030.
Waste from the reactor is set to be stored underground in the Gobi.
SINAP did not respond to the ABC’s request for comment.
The project is part of China’s campaign to become carbon neutral by 2060, which has seen Beijing funding research into a wide variety of renewable energy technologies including new types of large nuclear reactors and small modular reactors (SMRs).
According to a paper previously published in the Chinese scientific journal Nuclear Techniques by the SINAP, China aims to begin producing 100MW TMSRs from 2030.
The reactors would be used for traditional civilian energy purposes but some have suggested they could also be used to power military ships, aircraft and even drones.
A Chinese shipyard last year revealed designs for a huge nuclear-powered container ship that would use a small TMSR.
‘Inherently safer’ than traditional nuclear reactors
Traditional water-cooled reactors have to operate at high pressures so the water doesn’t turn into steam — like huge pressure cookers.
Molten salt vaporises at much higher temperatures, so the reactors don’t need to be pressurised in the same way.
They also include a “frozen” salt plug designed to melt if the system overheats or loses power, allowing the molten salt to drain into a reservoir where it cools down and solidifies — stopping the nuclear reaction.
Experts say this means there is less danger of them having a catastrophic meltdown like at Fukushima and Chernobyl.
Australian Nuclear Association president Mark Ho said because molten salt reactors did not need to be pressurised, they could be smaller than water-cooled reactors.
Dr Ho said China could provide these “miniaturised” nuclear reactors to Pacific Islands nations where diesel generators provide most of the electricity.
“An unpressurised core [also] means an inherently safer design,” Dr Ho said.
He said the initial success of China’s molten salt reactor program showed how far behind Australia was on advanced nuclear power technology.
“Which is not helped by the ban on nuclear power,” he said.
Thorium, meanwhile, has some potential advantages as a fuel over uranium, as it produces shorter-lived radioactive waste and is more difficult to use for nuclear weapons.
It is also much more abundant than uranium, particularly in China.
According to the SINAP report, China’s proven thorium industrial reserves are about 280,000 tons — second only to India’s, which are about 340,000 tons.
That’s said to be enough to satisfy China’s energy needs for 20,000 years.
The news has generated excitement in the scientific community because it suggests the Chinese researchers have had at least some success in overcoming the technical challenges that have made TMSRs unviable in the past.
They include the corrosive nature of the radioactive superheated salts and the difficulties involved in achieving fission with thorium.
Nuclear engineer Tony Irwin, an honorary associate professor at the Australian National University, said the TMSR was an “interesting technology that’s got a lot of potential”.
He pointed out that the higher operating temperature could also be used to supply process heat for industrial applications.
“[Chinese researchers] tend to go in very conservative steps,” he said. “Start off slowly and demonstrate and then carry on for the next one.”
He said the big challenge remained ensuring the plant would last for the expected 60-year lifetime of a commercial power plant.
“But there’s huge progress being made with materials,” he said.
Originally intended for aircraft
US scientists first started looking into molten salt reactors in the 1940s, hoping they could be built small enough to be installed in aircraft.
A functioning TMSR was built at the Oak Ridge laboratory in Tennessee but it endured a series of issues and malfunctions and was shut down in 1969, with thorium effectively abandoned in favour of uranium.
The 2MW TMSR built in the Gobi Desert was the first to achieve sustained fission since then.
China’s researchers are not the only ones who have been working on the technology in recent years.
India, which has the world’s largest known reserves, has long been trying to develop thorium as a power source, while Indonesia and other countries have expressed interest in TMSRs as well. What is nuclear energy and how does it work?
Photo shows Four nuclear power station chimneys emit steam
Nuclear power is in the headlines a lot right now. So we ask energy experts to break down exactly what it is.
A number of private companies are also jostling to be the first to get a commercial thorium-powered and/or molten salt reactor up and running.
They include Bill Gates’s TerraPower, which is planning to build a 345MW molten chloride salt-cooled reactor in Wyoming that would run on high-assay low-enriched uranium.
However, not everyone believes in the potential of TMSRs.
Researchers have raised concerns that waste from SMRs, including molten salt reactors, may be more harmful and difficult to dispose of than that from traditional nuclear reactors.
“Should molten salt reactors ever be constructed, they are unlikely to operate reliably,” physicist MV Ramana wrote in Bulletin of the Atomic Scientists.
“And if they are deployed, they would likely result in various safety and security risks. And they would produce several different waste streams, all of which would require extensive processing and would face disposal-related challenges.
“Investing in molten salt reactors is not worth the cost or the effort.”
Implications for Australia?
The federal opposition recently announced it would build a series of nuclear power plants if it won the next election.
However, Professor Irwin said molten salt reactors were still too far away to consider for Australia.
“I don’t think that’s a commercial path at the moment,” he said.
“It’s one that obviously everybody’s looking at and monitoring, but the commercial path at the moment is still light water reactors in either large or small sizes for more immediate deployment.”
Nigel Marks, an associate professor of physics at Curtin University, said it would be a “massive moment” if molten salt reactors proved commercially viable.
“If Australia decided to go nuclear, we should definitely look at it — geopolitics notwithstanding,” he said.
He said finding a use for thorium would be great for the Australian mining industry,
“Australia has 10 to 15 per cent of the world’s thorium,” he said.
“For rare-earth miners such as Lynas, thorium is a thorn in their side as it creates a waste stream which is (mildly) radioactive.”Canada’s nuclear province
Photo shows People swim at a beach next to the buildings of a nuclear plant.
Canada’s biggest province generates 51 per cent of its power from nuclear and while some love it, there are still downstream issues to be solved.
He said that if thorium was a “bridge too far” then a molten salt reactor using uranium would have all the same safety benefits, apart from the waste being longer-lived.
He added that the problem of nuclear waste disposal had been “solved” with countries including Finland and Sweden set to put it deep underground.
“In Australia, we have great options for nuclear waste storage; not only do we have some of the oldest and most geologically stable rocks in the world, but we have excellent technology developed at ANSTO [Australian Nuclear Science and Technology Organisation],” he said.
Dr Marks said that from a broader perspective, China’s progress with TMSRs showed the “power of innovation in science and engineering”.
“The nuclear nay-sayers point to SMRs [Small Modular Reactors] and say ‘long lead times, not yet commercially demonstrated’ and so on, and all this is true.
“But it misses the point that there are lots of ways of skinning the nuclear cat, and if countries would just have the patience to invest for a decade or so, then the solutions will come.
“After all, finding a green solution for electricity (and heat and hydrogen) is a multi-generational task, so waiting five to 10 years to find a good path forward is nothing.”
Posted 3h ago3 hours ago
