초임계 이산화탄소 발전기로 100㎾e 전력 생산

원자력연구원, 발전 시스템 성능시험 성공
증기 발전 시스템보다 10% 크기로도 가능
태양열·연료전지·핵융합·원자로 등에 적용

한국원자력연구원이 개발한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 시간당 100㎾의 전력을 생산해냈다. 원자력연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국원자력연구원이 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개발해 100㎾e 전력을 생산해냈다. 즉 초임계 이산화탄소를 활용해 시간당 100㎾의 전력을 만들어낸 것이다.

원자력연구원 조진영 선진원자로연구소장은 4일 "이번 성능시험에 성공한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 향후 차세대 원자로와 소형모듈원자로(SMR)의 동력변환 계통 적용을 위한 초석을 다진 것"이라며 "올해까지 총 전기 출력 500㎾ 생산을 달성하겠다"고 말했다.

원자력연구원에 따르면 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 기존 발전 시스템 대비 고온에서 높은 열효율을 가지며, 10분의 1 크기의 간단한 구성으로 발전기 소형화가 가능하다. 또한 태양열, 고온 연료 전지, 핵융합, 차세대 원자로, 엔진 배기열, 가스 터빈 배기열, 석탄 화력 등과 같은 다양한 열원으로 장치를 가동해 전기를 생산할 수 있다.

초임계 이산화탄소는 이산화탄소가 임계점인 온도 31도와 일상 압력의 73.8배를 넘어서면 초임계 상태가 된다. 이 상태에서는 이산화탄소가 액체와 기체의 성질을 동시에 갖고 있다.

초임계 이산화탄소는 초임계의 시작인 임계점 부근에서 액체처럼 밀도가 높아 압축에 용이하다. 고온의 초임계 상태에서는 기체처럼 점성이 낮아 마찰이 적고, 기계 내부에서 팽창이 자유로워진다. 특히 높은 밀도와 낮은 점도 등의 특성으로 인해 매우 효율적인 열 전달 및 동력 전달 매체로 사용할 수 있다.

연구진이 만든 초임계 이산화탄소용 터빈은 회전축과 축의 끝에 결합해 에너지를 만드는 회전체(날개), 축을 지지하는 베어링 등으로 구성돼 있다. 연구진은 양흡입 양배출 터빈 시스템을 고안했다. 이는 이산화탄소가 오가는 터빈의 입구와 출구를 대칭 형태로 두 개씩 만들고, 회전체 또한 축의 양 끝에 배치해 한쪽으로 힘이 치우치지 않도록 균형을 맞췄다.

그 결과, 4만 RPM의 고속 회전 상태에서도 축과 회전체의 제어가 쉬워 효율적으로 전력을 생산할 수 있었다.

한편, 미국은 최근 에너지부가 주관해 텍사스 샌안토니오에 10㎿e급 '스텝 프로젝트'를 추진하는 등 초임계 이산화탄소 발전시스템의 기술 선점을 위해 노력하고 있다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자