초록 ▼

I. 사전기획 개요

○ ‘제4차 원자력연구개발 5개년 계획(2012~16)’에 따라 2012년부터 시작된 연구과제의 1단계 연구가 2015.2에 종료되어 2단계 연구 기획이 필요

○ 사업추진현황 및 성과분석 등 사전기획 추진을 통해 제4차 원자력연구개발 5개년(2012~16) 2단계 기획 수립의 실효성을 제고

○ 원자력이용 다변화 분야(원자력수소) 1단계 성과분석 및 2단계 추진계획 수립을 위한 자문위원단 구성·운영
- 원자력기술 전문가와 경제·정책전문가로 자문위원단 구성 (9인)
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I. 사전기획 개요

○ ‘제4차 원자력연구개발 5개년 계획(2012~16)’에 따라 2012년부터 시작된 연구과제의 1단계 연구가 2015.2에 종료되어 2단계 연구 기획이 필요

○ 사업추진현황 및 성과분석 등 사전기획 추진을 통해 제4차 원자력연구개발 5개년(2012~16) 2단계 기획 수립의 실효성을 제고

○ 원자력이용 다변화 분야(원자력수소) 1단계 성과분석 및 2단계 추진계획 수립을 위한 자문위원단 구성·운영
- 원자력기술 전문가와 경제·정책전문가로 자문위원단 구성 (9인)
- 경제·정책 전문가의 참여를 통해 성과분석 및 사전기획에 대한 객관적 시각 유지
- 4차에 걸친 자문회의를 통해 사전기획보고서 작성

○ 원자력이용 다변화 분야(원자력수소) 2단계 기획을 위한 사전기획보고서 작성
- 기술개발 현황 및 향후 전망
- 1단계 연구 수행내용 및 성과분석
- 2단계 연구방향 및 추진계획

Ⅱ. 기술개발 현황 및 향후 전망

○ 국내외 기술개발 현황
- 한국원자력연구원은 2006년부터 Gen IV 국제공동연구에 참여하고 있으며 원자력위원회는 원자력이용 수소생산시스템 개발을 국가의 미래원자력시스템 개발 장기 추진계획 수립(2008.12). 현재 제4차 진흥종합계획을 반영한 5개년 연구개발계획에 준해 원자력수소핵심기술개발과제 수행 중

- 중국은 국가 중장기 과기계획 16대 중대항목으로 고온가스로 개발을 추진 중임. HTR-PM(200MWe)을 산둥반도에 건설 중이며 2017년에 완공할 예정. 일본은 HTTR(JAEA 실험로)을 이용한 초고온가스로 안전성입증시험 국제공동연구 수행 중이며, 2014년 4월 발표한 일본신에너지 기본계획에 고온가스로연구개발을 명시

- Gen IV 국제공동연구 로드맵이 개정되었으며(2014.1) 향후 10년 연구개발 방향을 확정함. 중국이 Gen-IV 초고온가스로 국제공동연구에 참여.

○ 향후 전망
- 후쿠시마 사고 후 미래원자로개발은 안전성이 최우선의 기술적 가치로 전망되며 현재 최고의 안전성을 보유한 초고온가스로는 중요한 미래의 원자로 기술임

- 원자력은 전력의 형태로 우리나라 총 에너지의 약 12%를 차지함. 산업용 열에너지, 운송용 에너지 등에는 화석연료를 대체하는 열에너지와 수소를 공급하기 위해 초고온가스로는 우리나라의 미래에너지 믹스에서 확실한 잠재적 시장성 보유

III. 1단계 연구 수행내용 및 성과분석

○ 주요 추진 내용
- 원자력수소핵심기술은 크게 설계코드 개발기술, 초고온 실험 및 재료 기술, 피복입자핵연료 기술, 수소생산기술로 구성되어 수행됨.

- 핵설계, 계통/안전, 노심열유체 등 설계해석 코드의 지속적인 개선, 국제공동연구 등을 통한 검증 및 순차적 문서화를 수행. 피동안전성 평가를 위해 자연냉각시험장치를 설계/건조. Gen IV 국제공동연구를 통한 흑연 및 초고온재료 DB 구축. 피복입자핵연료 시제품을 제조하고 조사시험 수행. 50L/hr 가압수소생산 시설을 구축하고 개별 운전 후 2013년 72시간 운전을 시도했으나 3시간 운전 후 2014년 현재 종합운전 시도 중.

○ 성과분석
- 설계코드, 핵연료, 초고온실험, 재료 등의 분야는 계획대로 성과를 창출하고 있으나 수소생산기술에서 종합연계운전은 지연 진행 중

- 정량적인 연구성과는 과제계획서에 준해 논문과 특허를 많이 생산하고 있으며 기술의 Know-how가 기술된 설계계산서를 생산

IV. 2단계 연구방향 및 추진계획

○ 2단계 연구목표
- 초고온가스로를 이용한 원자력수소생산시스템 핵심기술 확보

○ 연구방향
- 연구목표인 핵심기술 확보를 유지하면서 환경 변화 및 1단계 성과분석을 통해 도출된 사항을 반영하여 2단계 계획 수정

· 흑연블록 내진시험을 안전성이 개선된 원자로공동냉각계통(RCCS)에 대한 자연냉각시험으로 대체하여 안전연구 강화(개선된 RCCS의 자연냉각 검증 실험이 필요하며, 흑연블록 내진시험은 기존 국외 연구결과를 활용)

· 피복입자핵연료 조사시험이 지연 완료됨에 따라 결과 분석 등을 위한 조사후시험 연구기간 연장. 1단계 연구결과, 핵연료 안전성검증시험 장치 제작 및 핫셀 설치가 2단계 내 달성이 불가할 것으로 판단되어 모의장치를 이용한 고온가열 및 핵분열생성물 포집기술의 타당성 확인 및 기초기술 확보로 목표 수정

· 50L/hr 규모 수소생산 실증의 지연(분젠반응장치 개선)으로 실험결과를 이용한 파일럿규모 수소생산 실증장치 설계가 계획대로 수행되지 못하여 50L/hr 규모 수소생산 실증 완료 후 기술문제를 중점적으로 보완하여 안전성 및 신뢰도 높은 SI 수소생산 공정 Scale-up 장치개발 등 요소기술 개발로 변경하고 동특성모사 및 안전성 분석 연구 범위도 변경

- 원자력수소 실증사업을 추진하기 위한 기반 구축을 위해 원자력수소 실증계통 Point 설계 및 예비 타당성분석 연구

○ 추진전략
- 국내외 협력: 국내기관 및 산업체의 전문성을 활용할 뿐만 아니라 GEN-IV PBM (핵연료, 수소생산, 재료 등), 다자간(IAEA, OECD/NEA) 및 양자간(JAEA, INET) 국제공동연구를 통해 SI 수소생산 공정실험 결과 비교 분석 등 부족기술 확보 지속 추진

- 원자력수소핵심기술 확보: 기술수준(TRL) 관리체제 도입하여 단계종료시점의 기술 성숙도를 평가

- 원자력수소실증사업 추진: 산업체와 공동으로 예비타당성분석 보고서를 작성하여 정부의 예비타당성조사 및 후속 실증사업 추진기반 확보

Ⅴ. 연구결과의 활용계획

○ ‘제4차 원자력연구개발 5개년 계획(2012~16)’의 ‘원자력이용 다변화 분야’ 2단계(2015~16) 기획에 활용

(출처 : 요약문 5p)

Abstract ▼

I. Summary of preliminary planning

○ According to the 4^th nuclear R&D five-year planning (2012~16), phase-II R&D planning is necessary since R&D projects phase-I which has been started March 2012 will be finished in Feb. 2015.

○ Improve the effectiveness of the 4^th

I. Summary of preliminary planning

○ According to the 4^th nuclear R&D five-year planning (2012~16), phase-II R&D planning is necessary since R&D projects phase-I which has been started March 2012 will be finished in Feb. 2015.

○ Improve the effectiveness of the 4^th nuclear R&D five-year planning by analyzing project progress and results of phase-I within the framework of phase-II preliminary planning

○ Organize advisory committee for R&D results analysis of the 1st stage and project preliminary planning of the 2nd stage for diverse use of nuclear energy (nuclear hydrogen)

- Organize an advisory committee (9 members) consisting of experts in nuclear technology, economics, and policy

- Maintain an objective view on the performance analysis and advanced planning by participating economics and policy specialists

- Issue the preliminary planning report from four times advisory committee meetings

○ Issue the preliminary planning report for the phase-II of the 4^th nuclear R&D five-year planning (diverse use of nuclear energy)
- Status and outlook of technology development
- Analysis of R&D performance and results in phase-I
- R&D direction and advance plan in phase-II

II. Status and outlook of technology development

○ Status of technology development
- KAERI has been contributing to Gen IV international joint research program since 2006 and Nuclear Commission established the nuclear hydrogen development and demonstration (NHDD) project as a long-term development of future nuclear system in Aug. 2008. Currently, the nuclear hydrogen key technologies development project has been conducted as one of the 4^th nuclear R&D five-year planning.

- China is developing high temperature gas reactors as one of 16 key items of mid- and long-term science and technology development plan. A HTR-PM (200MWe) is under construction in Shandong peninsula and will be completed in 2017. Loss of forced cooling test using HTTR (JAEA test reacotr) by OECD/NEA will demonstrate safety of VHTR. Japan stated the high temperature gas cooled reactor development plan in the new energy master plan in Apr. 2014.

- GIF updated technical road map (Jan. 2014) and next 10 year R&D key objectives to be done in GIF. China joined Gen IV VHTR program.

○ Outlook of technology development
- After Fukushima accident, the safety is highlighted as a top issue and it has been known that the VHTR has an excellent safety feature.

- Nuclear energy as electricity occupies about 12% of domestic energy source. As an alternative to the fossil energy consumed in the industrial heat and the transportation, the VHTR has a good potential heat and hydrogen supplier in view of domestic energy mix.

III. Analysis of R&D performance and results in phase-I

○ Status of research progress
- Key Technologies consists of development of computational tools, high temperature experimental technology, fuel fabrication, and hydrogen production process.

- The design and analysis codes in the areas of the core neutronic analysis, the system and safety analysis, and the core thermo-fluidic analysis have been consistently improved, verified and validated through international collaborations, and sequentially documented as planned.

- Design and construction of a natural cooling test facility for passive safety evaluation, construction of database for graphite and high temperature materials via Gen IV international collaboration were performed.

- KAERI's pilot TRISO particle fuel was produced and its irradiation test were performed in HANARO.

- 50 L/hr scale of SI hydrogen process was constructed and operated. In 2013, 3-hour operation was completed. In 2014, 72-hour operation has been tried. The integrated operation with each skid was performed in order to evaluate and analysis SI hydrogen production process.

○ Analysis of research results
- Design codes, fuel, high temperature experiments, and material researches are in progress as planned, but the hydrogen production was delayed in the continuous operation of the integrated system.

- Many research papers, patents, and design reports have been produced.

IV. R&D direction and advance plan in phase-II

○ Objective
- Development of key technology for nuclear hydrogen production system using VHTR

○ R&D direction
- It is recommended that Phase-II R&D plan should be modified according to the analysis of phase-I results and changes in research environment while maintaining the research objectives.

. Strengthen safety research by replacing a graphite-block seismic test with a natural cooling test for reactor cavity cooling system (RCCS) (RCCS requires verification test of an improved RCCS design concept while for the graphite-block seismic test foreign research results can be used.)

. Due to the delayed completion of the irradiation test, the schedule for the PIE needs to be extended. Judged from the first phase R&D, construction of heat-up test experiment system and its installation in KAERI hotcell are implausible. Instead, preliminary study to confirm the technical feasibility of fission product collection and long-time high-temperature heating by using refractory components will be studied.

. Demonstration of 50L/hr hydrogen production facility was not completed due to Bunsen reactor and the design of pilot scale facility was not finished. It is recommended that after the demonstration of 50L/hr hydrogen production facility the research should focus on the scale-up of SI hydrogen production process and modify the scope of dynamic model and safety analysis.

- Perform the point design and preliminary feasibility study of a nuclear hydrogen demonstration system in order to establish the technical and institutional bases required for nuclear hydrogen demonstration project

○ Strategies
- Collaboration: Gen IV PBM (nuclear fuel, hydrogen production, materials, etc), multi-lateral (IAEA, OECD/NEA), and bi-lateral (JAEA, INET) collaboration as well as domestic experts should be utilized to make up technology gap including SI hydrogen production process.

- Nuclear hydrogen key technologies: TRL should be evaluated at the end of phase-II.

- Nuclear hydrogen demonstration project: Reports for government feasibility study of the nuclear hydrogen demonstration project should be issued in collaboration with industry partners.

V. Application plan of R&D results

○ This preliminary planing results will be used for the phase-II planning of the 4^th nuclear R&D five-year planning (diverse use of nuclear energy).

(출처 : SUMMARY 8p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 13
• I. 사전기획 개요 ... 15
• 1. 기획 추진 배경 ... 15
• 2. 기획 추진 목적 ... 15
• 3. 기획 추진 절차 ... 15
• 4. 사전기획연구 추진 경과 ... 16
• II. 기술개발 현황 및 전망 ... 19
• 1. 국내외 기술개발 현황 ... 19
• 2. 향후 전망 ... 23
• III. 1단계 연구 수행내용 및 성과분석 ... 28
• 1. 주요 추진내용 ... 28
• 2. 성과분석 ... 31
• IV. 2단계 연구방향 및 추진계획 ... 35
• 1. 2단계 연구목표 ... 35
• 2. 연구 방향 ... 35
• 3. 추진 전략 ... 38
• V. 연구결과의 활용방안 ... 39
• 부록 1-1: 1차 자문회의 회의록 ... 41
• 부록 1-2: 2차 자문회의 회의록 ... 44
• 부록 1-3: 3차 자문회의 회의록 ... 49
• 부록 1-4: 4차 자문회의 회의록 ... 53
• 부록 2 원자력이용 다변화 분야 제4차 원자력연구개발 5개년 2단계(’15~’16) 보완 계획 ... 59
• 첨부 : 원자력수소(초고온가스로) 기술개발 현황 ... 105
• 첨부 : 원자력수소 핵심기술개발 현황 ... 118
• 첨부 : 초고온가스로 계통개념 연구 ... 169
• 끝페이지 ... 179