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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.

원전 수출을 위한 새로운 기준, ‘녹지 않는 핵연료’란 무엇일까?

원전 수출을 위한 새로운 기준, ‘녹지 않는 핵연료’란 무엇일까?

최근 우리나라는 2009년 아랍에미리트(UAE) 바라카 원자력발전소(약 21조원 규모) 이후 13년 만에 이집트 엘다바 원전 건설 프로젝트를 수주하는 데 성공했습니다. 이집트 엘다바 원전사업은 1200MW(메가와트)급 원전 4기를 건설하는 300억 달러(약 39조 원) 규모 사업입니다. 우리나라 한국수력원자력은 2023년부터 2029년까지 엘다바 원전 4기와 관련된 80여 개의 건물과 구조물을 건설하고 기자재 등을 공급할 예정입니다.

이번 수주 이후 원전 및 관련 시스템 수출이 활성화되며 국내 원전 업계 생태계의 복원을 기대하는 평가가 많습니다. 그런데 원전 수출과 관련하여 최근 새롭게 떠오른 중요한 요소가 하나 있는데요, 바로 핵연료 수출, 그중에서도 ‘녹지 않는 핵연료’ 수출입니다. EU택소노미의 친환경 원전 조건에 ‘2050년부터 사고저항성핵연료 사용’이 포함되고, 러시아-우크라이나 사태 등으로 에너지안보가 중요해짐에 따라 전 세계적으로 원전이 재부상하면서 주목 받기 시작한 ‘녹지 않는 핵연료’ 는 과연 무엇일까요?

원전 안전성 높이는 ‘사고저항성 핵연료’ 의미

기존 원자력발전소의 핵연료 © 한국원자력연구원

2011년 일본 후쿠시마 원자력발전소 사고 이후 원전 안전성이 전 세계의 화두가 되면서, 핵연료의 경제성보다 안전성을 더 높이는 방향으로 개발의 전환이 이루어졌습니다.

현재 전 세계 상용 원전에 사용되는 핵연료는 지르코늄(Zr) 합금으로 구성된 튜브를 피복재로 하고 내부는 이산화우라늄(UO2) 소결체로 구성되어 있는데요, 원전의 안전 설계 기준을 초과하는 심각한 비상사태가 발생하면 위험성이 높아집니다.

이러한 위험성을 낮추기 위해 등장한 개념이 바로 ‘녹지 않는 핵연료’, 정식 표현으로는 ‘사고저항성 핵연료’입니다. ‘사고저항성 핵연료’는 기존 핵연료에 비해 원전을 정상적으로 운전하는 조건에서도 핵연료의 성능이 그대로이거나 오히려 향상되면서도, 노심을 냉각하는 기능이 상실된 상태에서도 핵연료의 건전성을 장시간 유지할 수 있는 핵연료를 의미합니다.

이를 달성하기 위해서는 여러 요소에서 개선이 이뤄져야 합니다. 먼저 원전에 사고가 발생해도 안전할 수 있도록 고온 수증기 산화에 저항성이 있어야 합니다. 둘째, 핵연료를 감싸는 피복관의 성능을 높여 파손이나 열충격에도 잘 견딜 수 있도록 만들어야 합니다. 셋째, 핵연료 소결체의 성능을 개선해 핵분열 생성물의 외부 누출 가능성을 낮추기 위한 핵연료 분산 저항성을 높여야 합니다.

불가피하게 원전 사고가 일어났다고 하더라도 ‘사고저항성 핵연료’가 있다면 사고에 대한 저항성이 높아 치명적인 원전의 노심 손상 및 방사성 물질의 누출을 차단하거나 지연할 수 있습니다. 큰 사고가 발생하더라도 그 위험성을 최대한 방지할 수 있다는 뜻이죠.

안전한 원전을 위한 ‘사고저항성 핵연료’, 원전 수출 경쟁력 될 것

한국원자력연구원이 개발한 제4세대 원자력 시스템인 초고온 가스로의 모델. 핵연료를 삼중피복으로 감싸 사고저항성을 높였습니다. © 한국원자력연구원

현재 우리나라를 비롯한 미국, 일본, 프랑스 같은 원전 기술 보유 국가는 사고저항성 핵연료 개발에 심혈을 기울이고 있습니다. 예를 들어 한국원자력연구원에서는 원자력의 안전성을 높인 ‘초고온 가스로(VHTR, Very High Temperature Reactor)’를 개발했습니다. 초고온가스로는 핵연료로 피복입자핵연료, 냉각재로 헬륨(He), 감속재로 흑연(Graphite)를 사용하여 700에서 950도의 열에너지를 생산하는 열중성자로입니다.

입자핵연료를 세라믹으로 다중코팅하기 때문에 1,600도에 이르는 고온에서도 핵분열로 나오는생성물이 유출되는 것을 막을 수 있죠. 냉각재로 쓰는 헬륨은 물과 달리 방사되지 않는 물질이고, 작고 가벼워 공기 중에 누출되어도 잘 흩어지는 화학적으로 안정된 비활성기체입니다.

한국원자력연구원은 제4세대 원자로인 초고온 가스로의 열에너지를 통해 수소를 생산하는 기술 또한 개발했습니다. 섭씨 700도 이상의 고열을 활용해 수소 생산 효율을 높였는데요, 일반적으로 수소를 얻으려면 전기 에너지를 사용해야 하지만 초고온 가스로는 전기 대신 열에너지를 이용해 수소를 얻을 수 있다는 점이 특징입니다. 황이나 요오드 같은 촉매를 이용해 섭씨 900도 정도의 높은 온도에서 물이 저절로 수소와 산소로 분해되도록 만들어, 많은 수소를 경제성 있게 생산할 수 있고 녹지 않는 핵연료로서 안전성도 높습니다. 이렇게 초고온 가스로가 생산한 많은 양의 수소는 수소 자동차와 같은 다양한 산업 분야에 활용될 것으로 기대됩니다.

우리나라는 이번에 수주에 성공한 이집트 외에도 체코와 폴란드, 영국, 핀란드, 네덜란드 등 원전 수출 가능성이 높은 유럽 국가들을 대상으로 ‘맞춤형 패키지’ 원전 수출 전략을 수립하고 핵연료 수출도 다각화한다는 계획인데요, ‘사고저항성 핵연료’와 같은 기술 개발을 통해 K원전 수출길을 넓혀나가기를 기대해봅니다.

관련 링크 : https://blog.naver.com/energyinfoplaza/222911153788

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