현재 널리 건설되는 원자력 발전소는 우라늄 자원의 1~2%만을 활용할 수 있습니다. 새로운 에너지원을 개발하는 데 수십 년의 귀중한 시간을 벌 수 있습니다. 그러나 우리의 궁극적인 목표는 에너지 문제에 대한 지속적인 해결책을 찾는 것입니다. 현재 많은 국가에서 새로운 원자로 유형인 고속 증식형 원자로를 적극적으로 연구하고 있습니다. 가압수형 원자로처럼 추진될 수 있게 되면 세계의 에너지 긴장이 바뀔 것입니다.

증식로란 원자로가 가동될 때 노심의 우라늄-238이나 토륨-232의 일부를 핵분열성 물질로 변환할 수 있습니다. 원자로에서 새로 생성된 핵분열 물질과 소비된 핵분열 물질의 비율을 전환율이라고 합니다. 가압수형 원자로의 전환율은 약 0.6에 불과한 반면 고속 중성자 원자로의 전환율은 1보다 큽니다. 즉, 핵분열 원자가 "연소"될 때마다 두 개 이상의 새로운 핵분열 원자가 형성됩니다. 따라서 원자로의 핵연료는 덜 "연소"되는 것이 아니라 더 많이 "연소"됩니다. 몇 년 후에는 하나의 원자로에 축적된 연료가 두 개의 원자로에서 사용됩니다. 이것을 핵연료의 '확산'이라고 합니다.

핵연료를 증식시키는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 우라늄-238을 사용하여 플루토늄-239를 생산하는 것입니다. 플루토늄-239는 연료 요소로 만들어진 다음 원자로에서 핵분열하여 우라늄-238을 변환할 수도 있습니다. 이 접근법을 우라늄-플루토늄 주기라고 합니다. 또 다른 접근법은 토륨-232를 사용하여 우라늄-233을 생산하는 것입니다. 우라늄-233을 연료로 사용하면 토륨이 변환됩니다. 이 접근법을 토륨-우라늄 주기라고 합니다. 어느 날 이 두 가지 연료주기가 실제로 작동하게 되면 사람들이 보유하고 있는 에너지 비축량은 수십 배로 확장될 것입니다.

연료 확산을 위해서는 고속 중성자로를 사용하는 것이 효과적인 방법입니다. 그 이유는 무엇입니까? 중성자 이동 속도가 증가하면 일반적으로 다양한 핵종과의 핵반응 가능성이 감소합니다. 그러나 한 가지 예외가 있습니다. 우라늄-238에 포획될 확률이 높아집니다. 우라늄-238에는 "진동을 흡수"하는 능력이 있기 때문입니다. 이 능력에 의지하여 많은 중성자를 포획하고 플루토늄-239로 전환하여 확산 목적을 달성할 수 있습니다.

중성자가 감속되지 않도록 하기 위해 고속 중성자로 설계에는 많은 특징이 있습니다. 첫째, 감속재가 없고 노심의 연료요소가 매우 촘촘하게 배열되어 있다. 둘째, 고속 중성자는 열 중성자만큼 우라늄-235를 핵분열할 수 없기 때문에 노심 연료의 우라늄-235 농도를 높이거나 플루토늄-239의 일부를 추가해야 합니다. 셋째, 열화우라늄(천연 우라늄보다 우라늄-235가 적게 함유된 물질을 열화우라늄이라 한다)이나 토륨-232는 핵 주변에 번식지대를 형성해 핵에서 탈출하는 빠른 중성자를 포획한다. 열중성자로에 비해 고속중성자로는 더 작은 노심에서 많은 양의 열에너지를 발생시키므로 냉각재의 열전도도가 더 좋아야 합니다. 액체금속은 일반적으로 원자로 노심에서 열을 제거하는 데 사용됩니다.

번식은 1946년 미국의 소형 시험로에서 처음으로 이루어졌다. 플루토늄을 연료로, 수은을 냉각제로 사용하는 원자로입니다. 이를 바탕으로 미국은 실험용 증식로 EBR-i를 건설했습니다. 농축 우라늄을 연료로 사용하고 우라늄-칼륨 합금을 냉각제로 사용합니다. 이 원자로는 원자력 발전 역사에서 기억에 남는 한 페이지를 차지하고 있습니다. 원자력을 전기에너지로 바꾸는 최초의 기술이었기 때문이다. 1951년 2월, 핵분열 원자의 에너지를 이용해 처음으로 소형 터빈 발전기를 구동해 네 개의 전구에서 나오는 빛으로 어두운 아이다호 사막을 비췄습니다.

1940년대 고속증식로는 여러 나라에서 실험로, 프로토타입 원자로, 상업용 실증로의 개발 과정을 경험했다. 현재 가장 성숙한 고속증식로는 액체나트륨을 냉각재로 사용하고 있다. 이 금속의 매우 우수한 열 전달 특성에 의존하여 원자로 노심은 매우 높은 출력 밀도에 도달할 수 있으며, 이를 통해 핵연료를 두 배로 늘리는 데 필요한 시간을 단축할 수 있습니다.

세계 각국에서는 수십 개의 고속 중성자로와 실험 장치를 건설했는데, 그 중 몇몇은 단기간 후에 폐기되었습니다. 미국은 7기의 고속 중성자로를 건설했는데, 마지막은 300MW급 실증형 고속 중성자로로, 최종 건설 계획은 안전 승인을 통과하지 못해 보류됐다.

프랑스는 더 나은 고속 중성자로를 개발했습니다. '피닉스' 고속 중성자로와 '슈퍼 피닉스' 고속 중성자로는 모두 통합형 풀 구조를 채택하고 있습니다. 원자로 용기는 직경 22미터, 높이 10미터, 벽 두께 35~50밀리미터, 원자로 상단에 3미터 두께의 강철과 콘크리트 덮개를 갖춘 대형 스테인리스 스틸 풀입니다. 이 강철 탱크에는 원자로 노심 외에 1차 루프 나트륨 펌프와 나트륨-나트륨 열 교환기도 배치되어 방사성 나트륨이 원자로 용기를 떠나지 않도록 합니다.

1차 루프의 나트륨은 핵연료를 아래에서 위로 통과하여 545°C로 가열된 다음 나트륨-나트륨 열교환기로 들어갑니다. 원자로 용기 외부에는 같은 두께의 강철 용기가 있습니다. 전체 장치는 1m 두께의 콘크리트 격납 쉘에 설치되어 있어 견고하고 안전하다고 할 수 있습니다. 1991년 세계 원자력발전소 통계표에는 고속중성자로 원자력발전소가 9개나 있지만 실제로 가동 중인 프랑스의 '슈퍼 피닉스' 원자로는 그 중 하나다.

고속 중성자로는 기술이 복잡하고 안전 요건이 높아 투자 비용이 가압경수로 원자력발전소의 5배 정도다.