중국 연구진, NASA 달 원자로 설계의 결함 발견... 효율성 4배 높인 대안 개발

중국 원자력 엔지니어들이 NASA의 달 원자로 설계에서 심각한 비효율성 문제를 발견하고, 구조적 개선을 통해 연료 소비를 75%까지 줄이면서 출력과 수명을 높일 수 있는 대안을 개발했다고 18일(현지시각) 홍콩에서 발행되는 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.
중국국가원자력공사(CNNC)의 수석 원자로 설계자 자오쇼즈가 주도한 연구팀은 중국 학술지 '원자력 과학기술'에 발표한 논문에서 중국의 달 원자로가 10년 이상 40kW의 전력을 생산할 수 있다고 주장했다. 이 연구 결과는 이미 중국의 달 기지 원자로 프로그램에 통합돼 진행 중인 달 탐사 경쟁에서 중국에 유리한 고지를 점할 것으로 보인다.

중국 원자로의 핵심 기술적 우위는 링 모양의 연료봉과 이트륨 수소화물 감속재를 활용한 것이다. 연구팀에 따르면, 웨스팅하우스와 같은 주요 원자력 회사에서 쉽게 생산할 수 있는 양면 환형 연료봉은 이산화우라늄 펠릿을 스테인리스강 클래딩으로 감싸고 있어 내부 및 외부 표면 모두에서 중성자 감속과 열 방출을 동시에 수행할 수 있다.

또한, 극한의 온도에서도 안정적인 이트륨 수소화물 감속재는 기존 지르코늄 수소화물 시스템에서 문제가 됐던 수소 누출 위험을 최소화한다. 이로 인해 중국 원자로는 빠져나가는 중성자를 가두기 위해 얇은 베릴륨 반사경 층만 있으면 효율성을 크게 높일 수 있다.
설계상 이중 냉각 채널을 통해 NaK-78 액체 금속이 내부 및 외부 연료 갭을 통해 흐르도록 하여 코어 온도를 섭씨 600도 미만으로 유지한다. 안전성 측면에서도 3개의 탄화붕소 안전 로드와 8개의 회전 제어 드럼이 중복 차단 메커니즘을 제공해 우수하다.

가장 주목할 만한 점은 이트륨 수소화물을 통해 고속 중성자를 열 중성자로 변환함으로써, 중국 설계는 NASA의 FSP 고속 원자로에 필요한 70kg의 약 4분의 1에 불과한 18.5kg의 우라늄-235만으로 지속적인 연쇄 반응을 달성할 수 있다는 것이다.

트럼프 행정부의 달 탐사 계획에 따라 개발된 NASA의 핵분열 표면 발전(FSP) 원자로는 감속재 없이 고속 중성자 스펙트럼에 의존한다. 자오의 팀에 따르면, FSP의 원통형 우라늄 연료봉은 강렬한 중성자 플럭스를 관리하기 위해 높은 농축 수준과 두꺼운 베릴륨 차폐가 필요하다는 단점이 있다.

중국 연구진은 FSP가 중국 원자로 개발에 영감을 준 우수한 설계임을 인정하면서도, 미국 원자로는 연료 팽창으로 인한 8년 수명 제한이 있으며 반응성 조정을 위해 단일 경로 제어 드럼에만 의존해 중국의 이중 셧다운 보호 장치가 없다고 지적했다.
"우리의 목표는 FSP와 경쟁하는 것"이라고 자오와 그의 동료들은 논문에서 밝혔다. 그들은 또한 중국의 달 원자로 설계가 구 소련에서 개발된 TOPAZ-II 원자로에서도 몇 가지 중요한 아이디어를 차용했다고 덧붙였다.

이러한 중국의 기술적 돌파구는 최근 NASA의 수석 과학자 사무실이 정부 효율성부(DOGE)의 인력 감축으로 폐쇄되고, 아르테미스 프로그램도 VIPER 탐사선과 같은 일부 중요한 임무가 취소되는 등 예산 불확실성에 직면한 시점에서 이루어져 더욱 주목받고 있다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com