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제3세대(Gen III) 및 제3+세대(Gen III+) 원자로보다 한 차원 높은 안전성과 경제성이 요구되는 제4세대 원자로(Gen IV)가 세계적 협력 아래 개발되고 있다. 우리나라를 포함하여, 미국, 프랑스, 일본 등 원자력 선진국들이 모여 2001년부터 ‘제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF, generation IV international forum)’ 정책 그룹회의를 운영하고 있다.

제4세대 원자로는 지속성, 안전성과 신뢰성, 경제성, 핵확산저항성과 물리적 방호개념을 추구한다. 이러한 목표들을 달성한다면 현재의 원자력발전소가 갖고 있는 여러 문제점을 완화시키거나 해결할 수 있으리라 예상하고 있다.

2001년 미국을 중심으로 주요 9개국이 결성한 GIF는 이후 스위스, EU, 중국, 러시아가 차례로 가입해 현재 13개국으로 운영되고 있다. GIF는 2002년 전문가의 검토를 거쳐 6개 원자로형의 제4세대 방식을 선정하고, 2020~2030년경 상용화를 목표로 기술로드맵을 작성하여 공동연구를 추진하고 있다.

6개의 신개념 원자로는 가스냉각고속로(GFR), 납냉각고속로(LFR), 소듐냉각고속로(SFR), 용융염로(MSR), 초고온가스로(VHTR), 초임계수냉각로(SCWR)이다.

우리나라는 이미 국제적으로 안정성과 경제성을 인정 받은 바 있는 SFR과 VHTR을 한국원자력연구원에서 연구하고 있다. SFR은 핵연료를 재활용해 에너지효율을 높이는 원자로로, 기존의 원자로와 달리 사용한 핵연료를 재활용해 우라늄 이용률을 100배 이상 높일 수 있고, 고준위방사성폐기물의 양도 100분의 1로 줄일 수 있다.

VHTR는 원자로의 열전도와 복사냉각 같은 자연적 현상만으로 원자로를 냉각시킬 수 있는 차세대 원자로로, 기존의 원자로들에서 사용해오던 별도의 냉각 장치와 이를 운영하기 위한 발전장치 등이 필요가 없다는 장점이 있다.

미국은 GNP(next generation nuclear plant) 사업을 통해 이미 전력생산, 산업체 열공급, 수소생산을 위한 VHTR 실증로 건설사업을 진행하고 있다. 또한 일본은 1998년부터 30MWt 열출력을 가지고 있는 실험로를 운전 중이며, 중국은 산둥반도 지역에 VHTR을 건설하고 있다.

국제원자력기구(IAEA)는 2030년경까지는 지금의 제3세대와 제3+세대 원자로가 주로 운영되고, 이후 제4세대 원자로가 건설될 것으로 전망하고 있다.