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"원자력은 경제성·친환경성·안전성·에너지 안보차원에서 필요하다"

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"원자력은 경제성·친환경성·안전성·에너지 안보차원에서 필요하다"

KAIST, 장윤일 미 아르곤 국립연구소 박사 특별세미나

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장윤일 KAIST 초빙 석학 교수가 21일 한국원자력의 백년대계라는 주제로 특별 세미나를 가졌다. 장교수는 원자력은 경제성·친환경성·안전성·에너지 안보차원에서 필요하다고 역설했다. 사진=KAIST
"원자력은 경제성·친환경성·안전성·에너지 안보차원에서 필요하다. 지금 한국은 원자력 선도국으로 성장했으나 과거 성공에 나태해지지 말고, 탈원전의 위기를 극복하고, 지금이야말로 백년 대계를 세워 투자해야하는 절호의 기회라고 본다."

장윤일 KAIST 석학 초빙교수(원자력 및 양자 공학과)는 21일 KAIST 대전 본원, 기계공학동(N7동) 공동강의실(1501호)에서 가진 ‘한국 원자력 백년대계’를 주제로 한 특별 세미나에서 이같이 역설했다. 장 교수는 미국 아르곤 국립연구소 석학 연구원이자 한국인 최초로 1993년 미국 원자력계의 노벨상이라 불리는 ‘로렌스상’을 수상한 이 분야의 전문가다.

이날 행사는 KAIST 원자력및양자공학과(학과장 최성민 교수) 초청으로 이뤄졌다. 다음은 장윤일 교수의 세미나 요지다.

‘한국 원자력 백년대계’

■원자력의 필요성...경제성, 친환경성, 우수한 안전성,에너지 안보

작년 1월 특별 강연에서는 주로 원자력의 필요성에 관한 발표를 했는데 요점을 추리면 첫째는 경제성, 둘째는 친환경성 (미세먼지, 대기오염, 온실가스, 건설 자료, 사용 토지 등), 셋째는 안전성이 우수하기 때문이다. 특히 원자로의 지진 피해에 관해서는 후쿠시마의 9.0지진과 경주의 5.8 지진 폭의 차이가 두 배 정도 되는 것이 아니고, 10의 9.0 승과 10의 5.6승 즉 109.0/105.6=1600 배이다. 또한 파괴력(Energy Released)은 1600의 1.5 승, 즉 6만4000 배의 차이로 하늘과 땅의 차이지만 원자로는 일본과 비슷한 내진 설계가 되어 있어 한국 원자로의 지진 피해는 불가능하다. 넷째는 에너지 안보인데 오늘은 이에 관하여 중점을 두고 백년대계의 필요성을 이야기 하고자 한다.

■에너지 안보

경제성장의 원동력은 전력이다. 에너지 안보를 구축하여야 경제 성장이 가능하다. 세계적으로 21세기 중반기/하반기에는 전기화 (Electrification) 진행 등으로 현재의 몇 배의 전력이 필요할 것으로 예상된다. 또한 21세기 중반기/하반기에는 화석연료 (석탄, 석유, 천연 가스)의 고갈이 예상된다. 신재생 에너지는 낮은 에너지 밀도, 간헐성 (intermittency), 및 물리적 공간적 제한 등으로 화석연료를 대신할 수 없을 것으로 판단된다. 원자력은 인간의 두뇌로 개발된 에너지로 천연 자원에 의존하지 않고 무한한 전력을 창출해낼 수 있는 유일한 에너지원으로 한국의 에너지 안보에 앞으로 계속 중요한 역할을 담당할 것이다.

■원자력은 대안이 없는 대안

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세계 원자럭의 최근 성장룰 및 앞으로의 전망. 자료=장윤일

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미국의 1980-2000 사이 20년동안 전력과 GDP 의 완전 비례 성장. 자료=장윤일


전 세계적인 추세는 지난 20여년 동안 한국, 인도, 중국, 러시아, 벨라루스 및 우크라이나에 약 80 개의 신규 원전이 건설되었다. 향후 10 년 동안 중국과 다른 19 개국은 100 기의 원전을 추가로 건설할 계획을 세우고 있으며, 이외에도 사우디 아라비아, 이집트 등 30 개국도 원자력 에너지 도입을 고려하고 있다. 원자력은 에너지 안보를 위하여 대안이 없는 대안이다. 한국 원자로의 최신형인 APR1400은 30여년 전 미국으로부터 기술 연수를 받아 개발되었으나 현재는 경제성이 가장 우수하고, 미국에서도 인허가를 받고, UAE에 4기를 성공적으로 수출되어 전세계가 그 우수성을 인정하고 있다.

지금 한국은 원자력 선도국으로 성장했으나 과거 성공에 나태해지지 말고, 탈원전의 위기를 극복하고, 지금이야말로 백년 대계를 세워 투자해야하는 절호의 기회라고 본다.

■원자력은 왜 백년 대계가 필요한가?

스마트폰, 자동차 등은 매년 새로운 모델이 나오지만 원자로는 세대 교체에 50년 정도의 시간이 걸린다. 최근에 미국의 터키포인트 3,4 호기 원전은 80년으로 운영 허가 갱신 인허가를 받았다. 앞으로는 100년으로 수명 연장 될 수도 있으므로 21세기 중반 및 후반을 위한 원자력 개발은 지금부터 계획하고 투자해야 한다.

차세대 원자력은 어떠한 조건을 갖추어야 할 것인가?

첫째, 사용후 핵연료 처리 기술을 갖추어야 한다. 지난 20-30년간의 기술 개발에 의하면 파이로프로세싱이 가장 적절한 기술로 핵폐기물의 수명을 30만 년에서 300년으로 단축시켜

처분장 건설 및 관리 부담이 크게 경감된다.

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연간 100톤 처리 파이로프로세싱 핫 셀 시설.(24mx36mx12m높이). 자료=장윤일


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파이로프로세싱으로 핵폐기물 수명을 300,000년에서 300년으로 단축. 자료=장윤일


둘째, 에너지 안보 차원에서 우라늄 이용률을 현 상용 원자로의 0.6%에서 100%로 올려야 한다. 파이로프로세싱과 고속로를 사용하면 우라늄 자원 이용율을 170 배까지 확장하여 미래 전력 수요 증가를 감당할 수 있는 무한한 에너지원이 될 수 있다.

셋째, 현재보다 수십배의 원전 사용을 위해서는 사고 발생을 근본적으로 차단하는 고유 안전성이 필요하다. 금속연료를 쓸 경우 Station Blackout 경우에도 원자로의 고유 특성으로 원자로가 자동으로 정지되는 것을 이미 미국 아르곤 국립연구소에서 실증한 바 있다.

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각종 에너지 자원 매장량에 의한 에너지 양과 2050년 예측되는 전력 (8,000 GWe)을 지원할 수 있는 기간(년). 자료=장윤일


넷째, 사용후 핵연료 재처리 기술의 경제성 확립이 필요하다. 아르곤 국립연구소에서 개발한 파일럿 스케일(Pilot-Scale) 설계에 의하면 파이로프로세싱은 혁신적인 경제성을 보여준다. 연간 100톤과 400톤의 사용후 연료를 처리할 수 있는 시설의 건설비를 추정했는데 400톤 규모로 설계할 경우 처리 단가가 kWh 당 1원 정도로 추정되어 원자력 환경 공단에 적립되고 있는 사용후 연료 처분 비용 (kwhr 당 7원 내외) 으로 파이로프로세싱 및 영구 처분장 비용을 충분히 감당할 수 있다고 본다.

위의 네 가지 조건을 다 갖춘 차세대 원자로형은 아르곤 국립 연구소에서 개발한 Integral Fast Reactor (IFR) 또는 일체형 고속로가 유일하다. 이 혁신적 기술은 한국원자력연구원에서 지난 10여 년 동안 개발해 온 기술이기도 하다.

■미래의 전망

고속로 개발은 1970년대와 1980년대에 미국, 영국, 불란서, 일본, 독일, 이탈리아, 러시아 등에서 활발히 경쟁적으로 수행되었지만 1990년대에 다 포기한 상태에 있다가 최근에 러시아, 인도, 중국에서 미래를 내다보며 고속로 기술 상용화에 노력을 기울이고 있다. 하지만 모두 전통적인 고속로 기술로 파이로프로세싱, 금속연료 등 혁신 기술을 개발하지 못한 상태에서 장기적으로 성공할 가능성은 적다고 본다. IFR의 혁신적인 기술을 전수받은 한국이 긴 안목을 보고 앞으로 10년 동안 1조원 정도의 투자를 과감하게 하면 30-40년 후에 세계에서 원자력 선도국의 역할뿐 아니라 에너지 안보 확보 및 경제 성장의 원동력이 될 것으로 본다. 이 기회를 놓치면 인도, 중국 등이 멀지 않아 따라 잡을 수 있다고 본다.


이재구 글로벌이코노믹 기자 jklee@g-enews.com