Ⅰ 서론

이전 논문에서 원자력추진 잠수함의 기술개발의 역사에 대한 간략한 소개와 우리나라에서 현재 활용하고 있는 디젤추진 잠수함에 비해서 원자력추진 잠수함이 가질 수 있는 다양한 장점에 대해 소개하였다. 아울러 최근에 들어서 원자력추진 잠수함이 원자폭탄이나 수속폭탄 등을 장착한 전략무기를 수송하는 목적으로 건조되기보다는 적국의 잠수함을 요격하는 목적의 Hunter-Killer 유형의 잠수함으로 많이 건조되고 있음을 확인하였다.

본 논문에서는 이런 유형의 원자력추진 잠수함을 건조하기 위해 필요로 하는 원자력 기술 중 앞으로 활용될 가능성이 있는 기술에 대해서 원자로 기술 측면과 추진시스템 측면으로 나누어서 논의하겠다.

Ⅱ 본론

1. 원자로 기술

현재 세계적으로 확인된 바에 따르면 대부분의 원자력추진 잠수함은 가압형경수로(PWR) 기술을 활용하고 있다. 가압형경수로는 원자로 계통과 발전계통 모두 수냉식이다. 수냉식 원자로는 핵분열시 발생한 고속중성자를 물원자와의 충돌을 통해서 에너지를 낮추어서 중성자 하나당 핵분열이 발생할 수 있는 확률을 높이는 방식의 원자로이다. 물리적으로 핵연료로 사용되는 우라늄-235의 농축도가 원자폭탄과 같이 높을 필요가 없으며 따라서 현재 상업용 원자력 발전소인 PWR에서 저농축 우라늄으로 발전할 수 있는 이유이기도 하다. 하지만 대부분의 원자력추진 잠수함에 사용되는 핵연료는 고농축 우라늄을 활용하고 있으며 핵연료 형태도 상업용 원자로에서는 산화우라늄 의 세라믹을 사용하지만 잠수함에서는 우라늄합금 핵연료를 사용한다.

이런 기술적 선택을 하는 배경은 원자력추진 잠수함이 일반적으로 핵연료를 한 번 장전하면 상업용 원자로와 같이 핵연료 재장전을 자주 하지 않기 위함이다. 핵연료 교체시 대부분의 원자력추진 잠수함은 대대적인 보수가 필요로 하는 기간과 유사하게 하여 전체 잠수함을 분해 후 핵연료를 재장전하고 재조립을 한다. 핵연료를 자주 재장전해야 할 경우 잠수함에 재장전을 위한 해치를 추가로 만들어야 하며, 이는 심해잠수를 하는데 기술적으로 여러 가지 문제를 초래할 수 있기 때문이다. 즉, 원자력추진 잠수함이 고농축 우라늄을 사용하는 것은 물리적으로 저농축 우라늄을 사용하는 것이 불가능해서가 아니라 정치 외교적으로 고농축 우라늄을 사용할 수 있는 국가에서는 고농축 우라늄을 사용하면 재장전 시기를 늘릴 수 있고 잠수함의 성능을 높게 유지할 수 있기 때문이다.

일례로 1980년대까지의 원자력추진 잠수함은 설계 수명이 20년인 것에 비해서 원자로 연료를 장전하고 운항할 수 있는 교체 장전 주기는 고농축 우라늄을 사용하는 미국 잠수함의 경우 15년에서 17년 정도이다. 그러나 저농축 우라늄을 사용하는 프랑스의 루비스급 잠수함의 경우는 10년 내외이다. 이 경우 잠수함의 설계 수명이 다하기 전에 핵연료를 재장전해야 하며, 따라서 대부분의 원자력추진 잠수함의 경우 원자로 연료 교체 장전을 위해서 대대적인 정비기간을 (약 1년 정도) 필요로 하게 된다. 이 기간 동안에는 원자력추진 잠수함을 대체할 만한 전력이 필요로 하게 되며, 또한 대대적인 유지 보수 수리를 하였기 때문에, 잠수함의 성능을 다시 한 번 검증 받아야 하는 번거로움 및 추가비용 등 다양한 문제가 발생한다.

핵연료 유형이 다른 것도 상업용 원자로에서는 외부충격이나 가속도가 내진설계에 적용되는 수준의 가속도 및 충격에 대비하여야 하므로 산화우라늄을 사용하여도 큰 문제가 없다. 하지만 원자력추진 잠수함 설계에서는 교전 중에 피격을 당할 수 있기 때문에 이런 상황에서 핵연료가 크게 파손되면 안 되므로, 충격에 강한 합금계열의 핵연료를 통상적으로 사용한다. 위에서도 언급한 프랑스의 루비스급 잠수함의 경우에는 산화 핵연료를 쓰지만 피복합금을 이용하여 각 산화우라늄을 개별적으로 보호하는 캐러맬 형태의 핵연료를 사용한다. 따라서 프랑스의 루비스급 잠수함은 저농축 산화우라늄을 이용하여서도 원자력추진 잠수함 운용이 가능한 것을 보여주는 좋은 사례이다.

<표 - 1> 상업용 원자로과 원자력추진잠수함 원자로 비교​

프랑스의 루비스급 잠수함에 대해서 간략히 설명하면 루비스는 프랑스의 제 1세대 공격용 원자력추진 잠수함 SSN으로 총 6대가 운항 중이다. 배수량은 표면에서 2400 ton, 잠수 시 2600 ton 이고, 길이가 73.6m, 폭이 7.6m, 흘수가 6.4m 이다. K48 PWR (48MW)에 하나의 프로펠러가 달려 있고, 5MW의 비상 엔진을 탑재하고 있다. 최대속력은 25 노트이상이며, 10명의 장교와 52명의 부사관이 탑승하는 원자력추진 잠수함 중에서는 크기나 규모가 매우 작은 편이다. 

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<그림-1> 루비스급 잠수함 

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2. 추진 및 발전시스템 기술

기존의 원자력추진 잠수함은 대부분 증기터빈 기술을 이용하여 원자력 에너지를 동력으로 바꾸어서 추진을 하고 있다. 이렇게 증기터빈의 축을 통해서 직접적으로 프로펠러에 동력을 전달하는 이유는 대륙간 탄도 미사일 등을 탑재한 기존의 원자력추진 잠수함은 배수량이 크기 때문에 (6000톤 이상) 전기모터를 이용한 추진이 불가능하기 때문이다. 직접적으로 동력을 증기터빈에서 전달할 경우 잠수함에서 필요로 하는 부하에 대응하여 원자로의 출력이 변화해야 하며 따라서 원자로가 출력을 고속으로 증강하기 위해 충분한 핵반응도를 가지고 있어야 한다. 이를 위해서는 고농축 우라늄을 사용한 핵연료를 활용하는 것이 장점이 많다.

그러나 프랑스의 루비스급과 같이 2000톤급의 원자력추진 잠수함의 경우에는 최근에 개발되는 대형 전기모터 등을 이용하여 전기추진이 가능해진다. 따라서 원자로는 항상 100% 출력을 유지하면 발전을 하게 되고, 발전된 전력은 배터리에 저장되며 잠수함 작전상황에 따른 출력변화 요구는 배터리와 전기모터를 이용하여 대응하게 된다. 원자로의 출력변동 폭이 작은 전기추진 방식을 차용할 경우에는 저농축 우라늄을 이용한 원자로 구성이 더 용이해진다.

2000년대에 들어서 증기터빈을 대체하는 기술로 초임계 이산화탄소 터빈기술이 개발되고 있다. 쵠근에 미해군 원자력추진 관련 기술을 개발하는 배티스 연구소와 놀스 연구소는 공동으로 초임계 이산화탄소 발전시스템을 차세대 원자력 추진기술로 보고 실험을 진행 중에 있다. 초임계 이산화탄소 발전시스템은 기존의 증기발전시스템에 비해서 2배에서 5배까지 부피를 줄일 수 있으며 발전효율도 증기발전시스템보다 높게 유지할 수 있다. 또한 발전시스템의 최소압력이 73기압 이상을 유지하여야하기 때문에 증기발전시스템의 복수기가 낮은 압력을 유지할 경우 잠수함의 잠항심도에 부정적 영향을 주는 단점도 극복할 수 있다. 더 나아가서 초임계 이산화탄소 발전시스템에 사용되는 회전기기는 동일용량의 증기발전시스템보다 회전수가 높기 때문에 고주파 소음이 주로 발생하며 따라서 소음 차폐 등에서도 유리한 측면이 많다. 또한 증기발전시스템과 달리 이산화탄소의 순도를 유지하는 부대설비가 없기 때문에 고장빈도가 낮고 유지보수 측면에서도 장점이 많다. 초임계 이산화탄소 발전시스템은 최근에 우리나라의 19대 미래성장동력으로 선정이 되어서 화력, 원자력, 신재생 등 다양한 열원에 적용하기 위해서 활발히 연구 중이다.

<그림 - 2> 배티스/놀스 미해군 원자력연구원 초임계 이산화탄소 발전설비

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Ⅲ 결론

우리나라는 핵비확산조약을 준수하며 핵무기를 보유할 의사가 없고 따라서 고농축 우라늄을 확보할 의지가 없다. 따라서 한국형 원자력추진 잠수함은 이전 논문에서도 언급하였듯이 전략무기 탑재를 위한 수단이라기보다는 적국 잠수함의 적대적 행위에 대항하는 Hunter-killer 유형의 잠수함으로 원자력기술을 이용하여 잠항기간을 획기적으로 늘린 것에 불과하다. 이런 목적에 부합하는 원자력추진 잠수함은 국내에서 이미 충분히 성숙한 민간의 원자력산업 기술을 활용하여 충분히 구현 가능하며 국제법규를 어기는 것도 아니다. 이를 위해서는 한국형 원자력추진 잠수함은 저농축 우라늄, 산화우라늄 핵연료, 전기추진 시스템 등의 기술이 결합되어야 하며 이런 기술은 이미 기존의 해외 원자력추진 잠수함에서도 그 예를 찾아 볼 수 있다. 또한 최근에 국내를 비롯하여 전 세계적으로 활발히 개발되고 있는 차세대 발전시스템 기술을 적극 차용한다면 기술적으로 진일보한 그리고 한국의 해양환경 및 주변국 상황에 맞춤형 대응이 가능한 원자력추진 잠수함 개발을 성공적으로 할 수 있을 것이다.