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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.

SF 작품 속의 에너지 ① 핵융합

SF 작품 속의 에너지 ① 핵융합

고호관 작가

오늘날 우리는 지구온난화로 인한 기후변화 때문에 큰 난관에 빠져 있습니다. 아무 활동도 하지 않고 에너지도 쓰지 않을 수는 없는 노릇이라 이 난관을 빠져나가는 건 쉽지 않아 보입니다. 아무 걱정할 필요 없을 정도로 깨끗하고 지속 가능한 에너지원이 있다면 얼마나 좋을까요?

SF작가들은 미래를 그리면서 다양한 에너지원을 상상합니다. 이론적으로 가능하고 실제로도 개발 중인 에너지원이 상용화되었다고 가정하기도 하고, 정말 급진적인 아이디어를 제시하기도 합니다. 때로는 작가가 직접 상상해서 새로운 에너지원을 만들어내기도 하지요.

과연 어떤 에너지원들일까요? 하나씩 소개할수록 점점 더 황당한 아이디어가 나올 테니 처음에는 그다지 낯설지 않은 에너지원을 소개하겠습니다. 바로 ‘핵융합’입니다.

오늘날의 원자력발전소는 ‘핵분열’을 통해 에너지를 발생시킵니다. 원료는 우라늄이지요. 우라늄 원자핵이 중성자와 충돌해 분열하면서 남는 질량이 에너지로 바뀌는 원리입니다. 온실가스를 내뿜지 않고 전기를 만들 수 있어서 좋지만, 이 과정에서 방사선도 방출되고, 방사성 폐기물도 나오고, 큰 피해를 입힐 수 있는 사고 위험도 있다는 문제가 있습니다.

‘핵융합’은 이와 다릅니다. 핵분열과 반대로 가벼운 원자가 융합해 더 무거운 원자가 되는 반응을 말합니다. 마찬가지로 이 과정에서 남는 질량이 에너지로 바뀌지요. 태양 같은 별의 내부에서 일어나는 반응이 핵융합입니다.

국제핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 개발 사업은 핵융합에너지의 상용화 가능성을 실증하기 위한 국제공동 과학기술 프로젝트입니다. 우리나라를 포함해 미국, 러시아, 유럽연합, 일본, 중국, 인도 등 7개국이 참여하고 있습니다. © ITER

핵융합 발전은 지금의 핵분열 발전과 비교해 장점이 많습니다. 연료(수소)가 풍부하고, 방사성 폐기물이 획기적으로 적어지고, 큰 사고가 발생할 위험이 없습니다. 핵분열은 연쇄 반응을 제어해야 하는 반면, 핵융합 반응은 이를 일으키는 게 너무 어려워서 사고가 나면 그냥 멈추고 말 뿐입니다. 문제는 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 초고온, 초고압 상태를 유지하는 게 어려워 아직 상용화가 되지 않고 있다는 데 있습니다. 그래도 자유롭게 쓸 수만 있으면 장점이 많은 에너지원이기에 다양한 SF 작품에서 미래의 에너지원으로 등장합니다.

우리는 지금 전기를 만들기 위해 핵융합을 연구하지만, SF 작품에서는 우주선의 추진 방법으로도 쓰입니다. 우주선을 움직이는 방법은 두 가지입니다. 하나는 전기를 만든 뒤 전기로 이온 추진기를 작동시키는 겁니다. 현재 인공위성이나 우주탐사선에 쓰이는 이온 추진기에 핵융합 발전을 결합한 것이지요. 다른 하나는 추진체를 가열해 내뿜거나 핵융합 반응의 부산물을 내뿜어 움직이는 방법입니다. SF에 흔히 쓰이는 방법이면서, 실제로도 진지하게 연구되고 있는 기술입니다.

우주선에 실을 수 있을 정도로 작은 핵융합로를 만드는 게 먼저겠지만, 핵융합으로 우주선을 움직일 수 있다면 장점이 많습니다. 적은 연료로도 많은 에너지를 만들 수 있으므로 장기간 항해가 가능해집니다. 심지어 연료로 쓸 수 있는 수소는 밀도가 매우 낮긴 해도 우주 공간에 널려 있습니다.

버사드 램제트를 이용한 항성간 우주선의 상상도 © Adrian Mann

우주선이 움직이면서 스스로 연료를 보충할 수 있다면, 커다란 제약이 사라지는 셈입니다. 여기서 나온 아이디어가 1960년에 물리학자 로버트 버사드가 제안한 버사드 램제트라는 우주선 추진법입니다. 우주선의 전방에 깔때기 같은 커다란 장치를 달고 강력한 전자기장을 이용해 우주 공간의 수소를 모읍니다. 이 수소로 핵융합을 일으켜 계속 앞으로 움직이는 것지요. 우주선이 빨리 움직일수록 더 많은 수소를 모을 수 있습니다.

이 개념은 폴 앤더슨의 소설 ‘타우 제로’에 잘 나타나 있습니다. 소설에서 외계행성을 개척하러 떠난 램제트 우주선은 뜻하지 않은 사고로 고장이 납니다. 엔진을 고칠 수도 끌 수도 없는 이들은 어쩔 수 없이 계속 앞으로 움직입니다. 연료는 우주 공간에 얼마든지 있기 때문에 끝도 없이 앞으로 가게 되지요. 이 외에도 수많은 작품에서, 많은 경우에 그냥 지나가듯이 핵융합로나 핵융합 추진이 등장하곤 합니다.

그런데 이렇게 널리 쓰일 정도가 되려면 극복해야 할 문제가 많습니다. 일단 핵융합에 필요한 초고온과 초고압이 큰 문제입니다. 이런 제약만 없다면 얼마나 좋을까요? 그래서 어떤 SF 작가들은 ‘상온핵융합’ 기술이 가능해진 미래를 그리기도 합니다. 상온핵융합이란 말 그대로 상온, 우리가 평소 생활하는 수준의 온도에서 핵융합 반응을 일으키는 기술입니다. 성공만 한다면 당연히 엄청나겠지요. 예를 들어 아서 클라크의 ‘신의 망치’는 상온핵융합 기술 개발로 에너지 혁명이 온 미래가 배경입니다. 여기에는 가정에서 쓸 수 있는 소형 핵융합로도 등장합니다.

아서 클라크의 신의 망치. 상온핵융합이 상용화된 세계를 그립니다. © 아작

1980년대에 마틴 플라이슈만과 스탠리 폰즈라는 두 과학자가 상온핵융합에 성공했다고 발표해 큰 관심을 불러일으킨 적이 있습니다. 하지만 그건 결국 사기로 드러났고, 아직까지 가능한 방법은 찾지 못했습니다. 어쩌면 찾지 못할지도 모릅니다.

가끔 작가들은 특이한 에너지원의 이름을 마음대로 짓기도 하는데, 류츠신의 ‘유랑지구’에는 ‘중원소핵융합’이라는 단어가 나옵니다. 태양의 폭발을 피해 지구에 엔진을 설치해서 통째로 옮기는 계획이 이루어지는 이야기인데, 엔진이 작동하는 원리가 중원소핵융합이라고 설명합니다. 아무런 원리 설명 없이 지나가듯 언급하고 말기 때문에 원리는 짐작할 수밖에 없습니다. 어쩌면 작가도 별생각 없이 적었을지도 모릅니다.

단어만 가지고 추측하자면, 수소가 아니라 중원소를 이용해 핵융합 반응을 일으키는 기술로 보이는데요, 보통 수소나 헬륨보다 무거운 원소를 중원소라고 합니다. 다만 중원소 중 철보다 무거운 원소는 핵융합을 일으켜 에너지를 얻을 수 없습니다. 핵융합할 때 오히려 에너지가 들어가기 때문입니다. 그렇다면 탄소나 산소, 규소 등의 원소를 이용해 핵융합 반응을 일으키는 기술이라고 추측할 수 있습니다. 지구의 지각에 가장 풍부한 원소가 산소와 규소니까 이것을 연료로 사용한다면 말이 되는 듯합니다. 아마도 작가가 상상한 ‘중원소핵융합’은 이런 기술이 아니었을까요?

이러한 상상 속 기술까지 가능하게 될지는 알 수 없지만, 앞으로 이야기할 여러 에너지원 중에서 그나마 가장 현실적으로 상용화 가능성이 높은 것이 바로 핵융합입니다. 상용화된 핵융합 기술을 SF 작품이 아닌 현실에서도 만나볼 수 있기를 기대해봅니다.

관련 링크 : https://blog.naver.com/energyinfoplaza/222659999219

출처 한국에너지정보문화재단

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정책

원전해체산업 육성전략

20년대 중반 이후 설계수명이 만료되는 원전이 확대되는 상황에서, 고리1호기 해체를 기술역량 축적 및 산업 생태계 창출의 기회로 삼고 글로벌 시장진출을 도모하고자 2019년 4월 17일 원전해체산업 육성전략이 발표되었습니다. 이번 전략으로 건설-운영 등 기존 선행 주기에 해체-폐기물 관리 등 후행 주기 분야까지 더해 원전산업 전반의 경쟁력을 확보하고, 원전기업의 새로운 먹거리 창출을 통한 지역의 경제활력 제고에도 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

세계 원전해체시장 현황

IAEA국제원자력기구에 따르면, 전 세계적으로 450대의 원전이 가동 중이고 이중 30년 이상 가동 중인 원전은 300대가 넘습니다.
사실상 세계 원전 시설이 노후화 단계에 접어들면서, 세계 각국은 투자회수율이 낮아진 원전을 대상으로 원전해체를 진행하고 있습니다.
영구 정지된 원전 173대 중 안전하게 해체가 완료된 원전은 20기입니다.
원자력 선진국으로 손꼽히는 미국, 독일, 일본이 각각 16기, 3기, 1기의 원전을 해체한 경험이 있습니다.

주요국가 원전해체 진행 현황

(IAEA-PRIS 2019년 3월 기준, 단위 : 개)

미국 : 총35
영국 : 총30
독일 : 총28
일본 : 총18
프랑스 : 총12
캐나다 : 총6
러시아 : 총6
스웨덴 : 총5
불가리아 : 총4
이탈리아 : 총4
우크라이나 : 총4
슬로바키아 : 총3
스페인 : 총3
리투아니아 : 총2
아르메니아 : 총1
벨기에 : 총1
카자흐스탄 : 총1
한국 : 총1
네델란드 : 총1
스위스 : 총1

해체계획
해체진행중
해체완료

주요 내용

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.

초기시장 창출 및 인프라 구축
- - 본격 원전해체 시작 전인 ’22년까지 해체물량 조기발주, 상용화 R&D 등 민.관 합동으로 대규모 선제 투자 추진
- - 원전해체 사업 세분화(폐기물 처리시설 구축, 해체 공사용 장비 구매, 해체 계획서작성 등) 시행 가능한 것부터 조기발주 착수
- - 원전해체연구소를 설립하고 등 관계부처 및 관련 연구기관과 공동으로 기술 고도화 및 상용화를 위한 연구개발을 적극 추진
원전해체 전문 강소기업 육성
- - 원전기업이 해체분야로 사업을 전환하여 역량을 키워나갈 수 있도록 생태계기반, 인력, 금융 등 종합지원 추진
- - 지역과 협력하여 인근 산업단지 등을 중심으로 지역별 특성을 반영한 기업집적 및 생태계 활성화를 추진
- - 기존의 원전인력을 해체 수요에 맞게 단계적 전환을 유도하는 등 전문인력 양성
단계적인 글로벌 시장 진출 지원
- - 해체실적(Track-record)이 중요시되는 해체시장 특성상, 고리 1호기 실적을 토대로 3단계에 걸쳐 해외진출 추진
  - ①해외 해체원전 단위사업 수주(’20년대 중반) ②원전 운영 경험 등이 상대적으로 부족한 제3국에 선진국과 공동진출(‘20년대 후반) ③제3국 단독진출(’30년대 이후) 3단계에 걸쳐 단계적으로 글로벌 시장에 진출
제도기반 구축 및 대국민 정보공개 확대
- - 안전한 해체관리를 위해 관련 규정을 정비하고 폐기물 등에 대한 안전관리 강화 및 관련 정보공개 확대로 대국민 이해도와 신뢰도 제고
- - 전문기업 확인제도 운영 등 산업육성을 위한 제도적 근거를 신설하고, 안전기준 명확화
- - 해체 세부기준 조기 마련 추진