원자력
원자력발전은 핵분열 반응으로 발생하는 열을 사용해 물을 증기로 만들고, 그 증기로 터빈을 돌려 전기를 만드는 방법이다. 핵분열은 크고 무거운 원자핵이 외부의 강한 힘으로 쪼개지는 현상을 말한다. 원자력은 자연계에서 가장 무거운 원소인 우라늄을 이용한다. 우라늄 원자핵에 빠르게 움직이는 중성자를 충돌시키면 바륨, 크립톤, 스트론튬, 제논과 같은 더 가벼운 원소로 쪼개지면서 에너지와 중성자를 함께 방출한다. 이 중성자는 다른 우라늄 원자핵과 반응하여 다시 에너지와 중성자를 생성하고, 이러한 과정이 반복되어 일어나므로 핵분열 에너지를 긴 시간에 걸쳐 꾸준하게 얻을 수 있다. 이 에너지로 물을 끓여서 터빈을 돌려 전기를 얻는 것이 바로 원자력발전이다.
원자력 (2021년 기준) (출처 : 한국전력)
발전비중 : 27.4%
발전량 : 158,015GWh
원자력발전은 우라늄-235가 2~5%만 농축되어 있는 저농축우라늄을 핵연료로 사용하여 18개월 내외의 발전주기 동안 핵분열이 지속적으로 서서히 일어나도록 한다. 또한 붕소로 이루어진 제어봉으로 핵분열 연쇄반응을 멈추게 할 수도 있다. 발전 과정에서 이산화탄소는 거의 발생하지 않으며 산업 전체로 보더라도 화석연료 발전에 비해 탄소배출량이 적다.
원자력발전은 에너지를 만들어내는 과정에서 방사선과 방사성 물질이 발생하기 때문에 최우선적으로 고려하는 것이 안전성이다. 우리나라 원전은 방사성물질이 외부로 누출되는 것을 방지하기 위해 다섯 겹의 5중 방호벽으로 이루어져 있다. 또한 불의의 고장이나 사고로부터 안전성을 높이기 위해 다중성·다양성·독립성 3가지의 설계 원칙을 따르며, 지진이나 해일 등 자연재해에도 대비 하고 있다.
원자력발전에 있어 선결과제로 꼽히는 것은 사용후핵연료 처리 문제이다. 말 그대로 핵연료물질을 발전용 또는 다른 방법으로 핵분열시킨 후 배출되는 고준위 방사성 폐기물을 뜻한다. 겉으로 보기엔 일반 핵연료물질과 차이가 없지만, 이미 핵분열 반응을 했기에 고열을 방출하고 그 방사선의 반감기가 길어 세심한 관리 보관이 필요하다. 핵연료를 다 쓰고 나면 열이 식을 때까지 수조에 임시 보관 후 방사능이 어느 정도 낮아지도록 원전 내에 중간 저장하고 있으나 포화 시점이 다가오고 있다. 최종 단계인 영구처분을 위한 기술 개발과 관리계획에 대해서는 심도깊은 논의가 필요하다.
탄소중립을 위한 에너지믹스가 시급한 가운데, 달에 있는 자원을 선점하기 위해, 일부 국가들을 중심으로 달 탐사선에 대한 투자가 활발히 이루어지고 있습니다. 2023년 8월 인도의 달 탐사선 챤드리아 3호가 달 착륙에 성공했고, 2024년 1월에는 일본의 달 탐사선 ‘슬림(SLIM)’이 달 착륙에 성공하기도 했지요.
달에는 인류에게 필요한 희토류나 헬륨-3(Helium-3) 등 다양한 자원이 매장되어 있습니다. 특히 새로운 에너지원으로 주목되는 헬륨-3에 대한 관심이 높은데요. 태양풍에 의해 만들어지는 헬륨-3는 두꺼운 대기층을 지닌 지구에서는 발견하기 어렵지만 달에 풍부하게 존재하는 것으로 알려집니다. 달 표면에 존재하는 헬륨-3는 약 100~200만 톤으로 추정됩니다. 이는 인류가 약 1만 년 넘게 사용할 수 있는 양에 달할 정도라고 하죠.
헬륨-3, 핵융합 에너지의 원료
헬륨-3는 주기율표상 원자번호 2번인 헬륨(He)의 동위원소로, 양성자 2개와 중성자 1개로 이루어져 있습니다. 헬륨-3는 화석연료 기반 에너지나 원자력 에너지를 대체할 수 있는 ‘핵융합 에너지’ 발전의 주요 연료로 사용될 수 있는데요. 핵융합 에너지란 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 무거운 원자핵으로 융합하는 ‘핵융합’ 과정에서 에너지를 얻는 것을 말합니다.
핵분열 반응을 통해 얻는 원자력 에너지와 반대되는 개념이라고 할 수 있죠. 무거운 원자핵이 깨지면서 감소하는 질량을 통해 에너지를 얻는 핵분열과 달리, 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자핵의 융합 과정에서 에너지를 얻습니다. 헬륨-3 1g은 석탄 약 40톤과 동등한 에너지를 생산할 수 있을 정도로 효율성이 높다고 알려져 있습니다. 무엇보다도 탄소 배출이 없는 무공해 에너지원이라고 할 수 있습니다.
헬륨-3 확보 가능성은 얼마나 될까?
달에 헬륨-3가 풍부하기는 하나, 현재로서는 상업적으로 헬륨-3를 대규모로 확보하는 것이 어려운 상황입니다. 채굴용 탐사선 개발이나 채굴 기지의 건설, 확보한 헬륨-3를 지구로 가져오기 위한 방식 등 다양한 측면에서 기술적인 진보가 필요합니다. 높은 비용이 소요되기 때문에 채산성 등 경제적 측면의 검토가 무엇보다도 중요하며, 민간기업의 사업 참여 및 투자 확대를 필요로 하기도 합니다. 만약 헬륨-3를 지구로 가져오더라도 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 에너지를 만들 수 있는 ‘핵융합 원자로’가 사전에 설치되어 있어야 합니다.
이처럼 핵융합 에너지 발전을 위해 필요한 물리적인 인프라까지 고려하면 헬륨-3를 활용한 에너지 생산에는 20년 이상의 오랜 기간이 소요될 것으로 판단됩니다. 이처럼 여러 가지 극복해야 할 문제들로 인해, 단기간 내에, 혹은 탄소중립을 목표로 하는 기간 내에 헬륨-3을 채굴해 와서 에너지를 생산하는 어려울 것으로 보입니다. 그럼에도, 달 탐사선 개발과 함께 달 자원 채굴 기술을 확보하기 위한 시간과 비용을 어떻게 단축할 수 있을지에 대한 국가 차원의 고민이 필요하며, 글로벌 에너지를 위해 민간 주도의 투자 유치를 적극적으로 논의해야 할 것입니다.
정책
(IAEA-PRIS 2019년 3월 기준, 단위 : 개)
원전해체를 원전산업의 새로운 먹거리로 육성함에 따라, 2035년까지 세계 원전해체 시장 점유율 10%를 달성하고 세계 5위권 이내로 진입하는 것을 비전과 목표로 4대 과제를 담고 있습니다.