탄소 제로를 위한 조력자, 미래의 원자력 발전

탄소 제로를 위한 조력자, 미래의 원자력 발전

대학생신재생에너지기자단 18기 한동근

 

다시 주목받는 원자력 발전

 2011년 3월, 후쿠시마 원전 사고는 세계인들에게 원자력에 대한 공포심을 심어주었다. 원자력 발전의 안전성이 의심받기 시작하고, 몇몇 국가들을 중심으로 원전을 없애려는 움직임이 시작되었고, 우리나라도 이에 동참하였다. 그렇게 원자력 발전은 위험하다는 오명을 쓰고 석탄과 같이 역사의 뒤안길로 사라지려는 듯했다. 그러나 지금, 세계가 다시 원자력에 주목하고 있다.

[자료 1. 원자력 발전소]

출처 : Cambridge Econometrics

‘2050년 탄소중립’이 전 세계의 화두로 떠올랐다. 기후변화가 심각해지면서 그에 대한 대응이 시급해지면서 ‘2050년 탄소중립’은 최우선 목표가 됐다. 2018년 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)가 지구 평균 온도 상승을 1.5도 이내로 맞추려면 2050년에는 온실가스 배출량을 ‘제로’로 낮춰야 한다는 내용의 특별보고서를 발표한 것이 신호탄이었다. 이후 영국과 프랑스, 유럽연합(EU) 등 17개국이 탄소중립 도달 시기를 선언했고, 조 바이든이 차기 미국 대통령에 당선되면서 미국이 기후위기 대응 테이블에 복귀하며 전 세계적으로 탄소 제로를 위한 움직임이 가속되었다.

 

[자료 2. 지구온도 상승 1.5도 제한 시 에너지원 비중 변화 - IPCC P1 시나리오 기준]

출처 : 서울경제

탄소 배출을 줄이려는 움직임에 따라 온실가스를 배출하지 않으면서도 발전 효율이 높은 원자력발전이 다시 주목받게 된 것이다. 이미 상당수의 국가가 원자력 발전을 다시 늘리려 하고 있다. 미국, 영국, 프랑스, 일본, 중국 등이 원자력을 기후변화의 대응 수단으로 중요시하고 있고, 특히 바이든이 미국 대통령에 당선되면서 미국 민주당이 48년 만에 원전 지지 입장으로 선회하였다. 2018년 유엔기후변화 정부 간 협의체(IPCC) “지구온난화 1.5도 특별보고서”에 따르면, 전 세계 원전 용량이 2020년 10.8 EJ 에서 2050년 21.9 EJ로 증가하여, 연 2.5% 정도의 성장을 예상하였다. 많은 나라가 탄소 중립을 위한 원동력으로 원자력을 선택한 것이다. OECD 산하 단체(NEA)에서 발간한 '탈탄소화 비용' 보고서는 "OECD국 정책 입안자들은 탈탄소 전원 믹스를 달성하기 위해 원자력, 수력과 같은 저탄소 기술에 적극적인 투자를 감행해야 한다"면서 "특히 원자력은 전체 전력 시스템의 관점에서 재생에너지보다 탄소 배출 비용 절감에 있어 우위에 있다"고 평가했다.

문재인 대통령이 2050년 탄소 제로를 선언하면서, 우리나라에서도 원자력에 대한 재고의 목소리가 나오고 있다. 2020년 11월, 국가기후환경회의의 기후변화와 미세먼지 문제 대처를 위한 중장기 국민정책제안 발표 내용 중, “탈원전을 고정불변으로 하고 2050년 탄소중립을 얘기하긴 어렵다”는 말에서 알 수 있다. 이 발언은 과거 반핵시민운동을 하다가 환경부 차관까지 역임했던 안병옥 국가기후환경회의 운영위원장이 한 내용이다. 탈탄소와 탈원전을 동시에 진행하는 것이 어불성설이라는 의견이 나오고 있는 것이다.

 

차세대 원전의 등장

그러나 탄소 제로를 위해 원자력이 돌아와야 한다는 다수 전문가의 의견에도 불구하고 대다수의 국민들이 기존의 원자력에 대한 불안함과 공포를 느끼고 있는 것이 사실이다. 탄소 배출 없는 전력 생산을 이뤄내면서도 원전의 안전성에 대한 불안감을 없앨 방법이 없을까? ‘4세대 원자로’ 로 불리는 미래의 차세대 원전이 이 고민을 해결해 줄 것이다. 이 기사에서 살펴볼 미래 원자력 발전의 핵심 키워드 세 가지는 소듐냉각고속증식로(SFR), 소형 모듈 원자로(SMR), 초고온가스로(VHTR)다. 이 핵심 키워드들이 미래 원전을 어떻게 바꿔 놓고 탄소 중립에 기여할지 알아보자.

[자료 3. 소듐냉각고속로 소개, 자료 4. 소듐냉각고속로 단면도]

출처 : 한국원자력연구원, MATTER

 첫째로, 소듐냉각고속증식로(SFR, Sodium-cooled Fast Reactor)는 냉각재로 액체 소듐(Na)을 사용하고 고속 중성자에 의한 핵분열 반응으로 발생한 열에너지를 이용하는 원자로다. 소듐고속증식로는 현재 가동 중인 원전이 물을 냉각재로 이용하는 반면, 액체 금속인 소듐을 이용한다는 데 차이가 있다. 소듐고속증식로는 현재 가동 중인 3세대 원전보다 지속가능성과 안전성, 경제성, 핵비확산성을 획기적으로 향상한 미래형 원자력 시스템으로 불린다.

 왜 소듐냉각고속로가 차세대 원전 중 하나로 불리게 되었을까? 이는 냉각재인 소듐의 특성을 살펴보면 알 수 있다. 소듐은 열 전도 효율이 물에 비해 압도적으로 높아 물을 사용한 원자로에 비해 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있고, 사고 발생 시 원자로를 멈추면 연료봉이 금방 식어 안전하다. 또한 대기압에서 끓는 점이 물보다 높아 굳이 원자로 내부를 고압으로 유지할 필요가 없다. 기존 물을 냉각재로 쓸 때 원자로 내부를 150기압으로 올려야 했던 것에 비해 대기압에서 가동이 가능한 점은 안전성 확보에 도움이 된다. 그리고 소듐은 원자로 내 대부분의 물질에 대해 부식성이 없어 원자로 수명 또한 길다. 한마디로 요약해서 기존 원자로에 비해 크기는 작으면서도 수명은 길고, 안전하다.

 게다가 소듐냉각고속로는 현재 원자력 발전의 큰 골칫거리인 핵폐기물 문제의 훌륭한 해결책이 된다. 기존 원자로는 저속 중성자만을 사용하여 자연계 우라늄 중 0.7%에 불과한 우라늄-235만을 발전에 사용할 수 있어 나머지 우라늄들은 모두 핵폐기물로 남곤 했다.반면, 소듐냉각고속로는 고속 중성자를 사용하여 우라늄-235는 물론 폐기물로 간주하였던 우라늄-238, 플루토늄-239를 전력 생산에 활용할 수 있다. 이 때문에 4세대 원자력 시스템 중에서도 사용후핵연료의 방사성 독성 감소 기간을 획기적으로 줄이고 소모한 핵연료보다 더 많은 핵연료 물질을 생산함으로써 경수로보다 100배 이상의 우라늄을 활용할 수 있는 ‘꿈의 원자로’로 불린다.

 

[자료 5. 테라파워(TerraPower)의 진행파 원자로]

출처 : GeekWire

소듐고속증식로 기술을 활용한 대표적인 원자로가 빌 게이츠가 설립한 테라파워(TerraPower)의 진행파 원자로(TWR)이다. 진행파 원자로 역시 소듐을 냉각재로 사용한 원자로인데, 시가 담배가 천천히 타듯 원자로에서 연료 다발을 따라 핵분열 반응이 천천히 진행돼 '진행파 원자로'라고도 한다. 이때 연료는 핵폐기물인 우라늄-238과 플루토늄-239를 혼합하여 사용한다. 기존 원자로는 원자로를 열어 연료를 교체해야 하나, 진행파 원자로는 보관 중인 핵폐기물을 밀어 넣기만 하면 된다. 진행파 원자로는 새 연료 없이 60년을 가동할 수 있고, 비방사성 물질과 독성이 약한 폐기물만을 배출한다. 테라파워는 "핵무기 원료를 만들지도 않고 후쿠시마 원전처럼 원자로가 녹아내릴 염려도 없는 차세대 원자로"라고 밝혔다.

[자료 6. 소형모듈원전 예시]

출처 : IAEA

다음은 소형 모듈 원자로(SMR, Small Modular Reactor)다. SMR은 원자로 속에 원전을 가동하는 데 필요한 설비를 모두 집어넣은 소형 원자로다. SMR은 필요한 만큼의 전력을 원하는 곳에 공급할 수 있는 장점이 있다. 송배전망 구축이 어려운 곳에서 큰 전력이 필요할 때 설치하기 유리하다. 대규모 건물로 원전을 짓는 방식과 달리 공장에서 SMR을 생산해 공급할 수 있다는 것도 강점이다. 원자로를 식히는 데 물이 필요한 기존 설비와 달리 SMR은 물 외에도 소듐과 같은 다양한 물질을 쓸 수 있다. 주요 계통 설비를 한데 모아 넣어 안전성 또한 높일 수 있는 점이 장점이다. 용량 규모를 계통과 연계하여 실시간으로 조절할 수 있고, 설치에 필요한 부지 면적이 작고 투자 비용이 적은 것 역시 기존 원자력 발전소와 차별화된 강점이다.

기존 주력으로 사용하던 대형 원자력 발전소와 달리, SMR은 보조전원이라는 역할을 훌륭히 수행할 수 있다. 태양광, 풍력 위주의 재생에너지 발전은 에너지 공급이 일정하지 않고 간헐적이라는 단점이 있다. 이때 SMR을 포함한 재생에너지 믹스를 구축한다면 에너지 공급을 일정하게 유지하면서도 탄소를 배출하지 않는 전력 시스템을 구축할 수 있다. 이러한 장점 덕분에 SMR은 조 바이든의 에너지 혁신 공약에서 핵심적인 부분을 차지하고 있다.

후쿠시마 사고 이후 탈원전을 선언한 일본도 소형 모듈원전으로 시선을 돌렸다. 일본 정부는 여전히 원전에 부정적인 여론을 감안해 당분간 원전 신설은 없다는 입장을 유지하면서도, 안전성이 높은 소형 원자로를 개발하면 주민들의 동의를 받기도 쉬워 기존 원전을 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 우리나라에서도 SMART 라는 이름으로 소형 모듈원전을 만들어 전력 인프라가 부족한 개발도상국에 원전을 수출한다는 계획이다.

[자료 7. 초고온가스로 소개, 자료 8. 초고온가스로 단면도]

출처 : 한국원자력연구원, Wikipedia

초고온가스로(VHTR, Very High Temperature Reactor)는 헬륨을 냉각재로, 흑연을 감속재로 사용하며 950℃의 높은 열에너지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 전기를 생산함과 동시에 물을 분해하여 대량의 수소를 생산할 수 있는 4세대 원자로로 피동안전 개념을 도입해 설계됐다. 피동안전은 기존에 작업자나 기계의 물리적인 작동이 개입되는 능동안전과 대비되는 개념으로, 후쿠시마 원전 사고와 같이 외부 전원이 상실되고 운전원이 조작할 수 없는 극한 사고 시에도 핵연료에서 발생하는 잔열을 공기의 자연순환 현상만으로 제거할 수 있어 원자로의 안전성을 더욱 높인 개념이다. 사고 발생 시에도 냉각재로 사용되는 헬륨이 방사화되지 않는다는 점도 안전을 담보하는 중요한 요소다.

고온가스로는 핵분열반응에서 생성된 고온의 열을 견디도록 세라믹 피복입자 핵연료를 사용하고, 흑연을 감속재로 사용하며 냉각재로는 헬륨을 사용하는 원자로다. 고온가스로는 섭씨 750도 이상의 고온 열을 안전하게 생산하기 때문에 무탄소 고효율 전력생산, 공정열 공급 및 수소생산에 활용이 가능하다. 특히 수소생산이 가능하다는 점이 미래의 수소경제사회에서 핵심 전력원으로 기능할 수 있을 것으로 보인다. 현재 유통되는 수소의 대부분은 천연가스 수증기 개질과 산업공정 부생가스를 통해 생산되고 있다. 이런 상황에서 초고온가스로가 향후 신재생에너지와 원자력을 이용한 친환경 수소 생산 방법이 되어 탄소배출 없는 수소 생산과 깨끗한 전기 생산이라는 두 마리 토끼를 잡을 것으로 기대되고 있다.

 

[자료 9. 연설하고 있는 바이든 정부 기후변화 특사 존 케리]

출처 : 지구와에너지

원전과 재생에너지 믹스, 탄소 제로를 향한 발걸음

탄소 배출 없는 에너지 생산은 탄소 중립이라는 세계 공동의 목표를 위해서 필수적이면서 최우선적인 과제라고 할 수 있다. 그러나 현재의 재생에너지만으로 탄소 제로의 전력망을 구축하는 것은 불가능에 가까운 것이 현실이다. 재생에너지 투자가 오히려 대기오염과 기후변화에 취약하게 만드는 현상은 재생에너지에 투자를 늘린 나라들이 공통적으로 겪는 문제다. 에너지 공급이 일정하지 않은 재생에너지 특성상 이를 보완하기 위해서는 다른 발전원이 필요하다. 탈원전을 선언한 독일의 경우를 보면 전력 생산 탄소 발자국(kgCO2/kWh)가 원자력 발전을 사용하고 있는 프랑스(0.047)에 비해 10배(0.469)에 달하고 있다.

지금 원자력 산업계가 말하는 바는 커다란 원자력 발전소가 주력이던 과거로 회귀하자는 것이 아니다. 전력 수요를 감당할 만한 재생에너지 믹스 구축을 위해 원자력 발전을 보조전원으로 고려할 필요가 있다. 차세대 원전 기술을 통해 안전성도 확보하고, 과거 원자력 발전에서 나온 핵폐기물을 다시 전력 생산에 사용할 수 있다. 차세대 원전과 재생에너지를 혼합하여 새로운 에너지 시대의 지평이 열리기를 기대한다. 새로 출범하는 바이든 정부의 기후변화 특사이자 전 미국 국무장관 존 케리의 연설에서도 원자력 발전을 이제 탄소 제로를 위한 조력자로 바라봐야 함이 나타난다.

 

“저는 1970년대부터 원자력에 반대해 논쟁해온 사람입니다. 원자력에 반대하는 입장이었습니다. 하지만 지금 우리는 기후 변화의 도전에 직면해 있고, 4세대 원자력 기술의 잠재력이 있습니다. 갑시다(Go for it). 다른 선택의 여지가 없습니다. 탄소 배출을 0으로 만듭시다.”

 

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참고문헌

[다시 주목받는 원자력 발전]

1) 강은지, "‘2050년 탄소중립’ 전세계 화두로… 석탄발전 많은 한국엔 난제[인사이드&인사이트]", 동아일보, 2020. 11. 18 (www.donga.com/news/Opinion/article/all/20201118/104020337/1)

2) 정재준, "[핵공감 클라쓰 제22강-1] 선진국은 원전을 줄이고 있다는데 사실인가요? 부산대 정재준 교수", 2020. 12. 4 (www.youtube.com/watch?app=desktop&v=0lGblxZ5o2U&ab_channel=%ED%95%B5%EA%B3%B5%EA%B0%90%ED%81%B4%EB%9D%BC%EC%93%B0)

3) 유준상, "[유준상의 돌직구] 전세계가 탈원전 폐기하는데..문통만 왜 고집하나", 데일리안, 2020. 12. 30 (n.news.naver.com/article/119/0002456262?fbclid=IwAR0W3qlogUx366GstiHhbujVunMOMszxmoXM_6BEB0ItkgdjNTjRsyOdln4)

4) 주한규, "존 케리,바이든 시대 에너지 짜르 4세대 원전으로 미 탄소중립 지휘", 지구와에너지, 2020. 12. 21 (earthenergy.co.kr/posts/1177?fbclid=IwAR14KfJZcszCXwjlmEPImhAgT1RFUjc2jdcgtaYBZHytH8CPnCPxlNXQQ9o)

[차세대 원전의 등장]

1) 한국전력기술원, 원자력 기타노형 사업/R&D 소개 (www.kepco-enc.com/portal/contents.do?key=1247#none)

2) IAEA, Small Modular Reactors (www.iaea.org/topics/small-modular-reactors)

3) "빌 게이츠, 한국과 차세대 원자로 공동개발", 사이언스타임즈, 2013. 04. 24 (www.sciencetimes.co.kr/news/%EB%B9%8C-%EA%B2%8C%EC%9D%B4%EC%B8%A0-%ED%95%9C%EA%B5%AD%EA%B3%BC-%EC%B0%A8%EC%84%B8%EB%8C%80-%EC%9B%90%EC%9E%90%EB%A1%9C-%EA%B3%B5%EB%8F%99%EA%B0%9C%EB%B0%9C/)

4) 이영완, "[이영완의 뉴스 저격] 연료 채우면 100년 가는 빌 게이츠의 고속증식로… 美·中 주도권 경쟁", 조선일보, 2019. 01. 25 (www.chosun.com/site/data/html_dir/2019/01/24/2019012403215.html)

5) 필리프 베트게, "60년 가동 초소형원자로 개발", 이코노미인사이트, 2020. 02. 01 (www.economyinsight.co.kr/news/articleView.html?idxno=4764)

6) 한국원자력연구원, "차세대 수소 생산 원자로 초고온가스로(VHTR)’ 피동안전성 모의검증 시험 성공", 2015. 11. 10 (kaeri.re.kr/eng/board/view?pageNum=34&rowCnt=10&no1=531&linkId=6070&menuId=MENU00326&schType=0&schText=&boardStyle=Image&categoryId=&continent=&country=&schYear=)

7) 정영효, "탈석탄 일본, 10년내 차세대 소형 원전 돌린다 [정영효의 일본산업 분석]", 한국경제, 2020. 12. 27 (n.news.naver.com/article/015/0004473675?fbclid=IwAR0GcRa_LQCIUHTKsX9zY6RTtSk9vTKD3wK_A4tJxSelY94q5w5xpDXf3lY)

[원전과 재생에너지 믹스, 탄소 제로를 향한 발걸음]

1) 안도현, "탈원전이 위험한 선택인 이유", 지식협동조합 좋은나라, 2020. 09. 28 (www.good21.net/issuepaper/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=4989755&t=board)

2) 선정수, "[분석] 바이든이 '차세대 원전'에 올인했다? 원전업계의 아전인수", 2020. 11. 13 (www.newstof.com/news/articleView.html?idxno=11474)

3) 노정태, "文 탈원전 밀어붙일 때, 바이든 “원자력 규제→투자”, 신동아, 2020. 12. 14 (shindonga.donga.com/BestClick/3/all/13/2293345/1)