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고속증식로 개발의 명암 에너지_자원

 

고속증식로 개발의 명암 

본 글에서는 “때면 땔수록 연료가 불어나는” 꿈의 원자로라고 선전되는, 고속증식로 개발을 비판적으로 살펴본다.
과학기술자가 과학기술의 전망을 과신하고 함부로 선전하게 되면 벤처사기꾼으로 둔갑할 위험이 있다. 마땅히 과학기술자는 과학기술의 발전 전망에 대해 냉정한 비판의 시각을 잃지 말아야 할 것이다. --검역소장--


원자력발전의 꿈과 현실

1950년대 후반에 석탄을 때는 화력발전소에서 0.6센트/kWh에 전력을 생산할 때, 미국 최초의 상업 원자력발전소였던 시핑포트 경수로는 6.4센트/kWh의 비용이 들었다. 설득력이 없는 가격이었지만 당시 원자력발전은 새로운 기술이었기 때문에 개량을 거듭하면 비용이 감소할 것이라는 기대가 있었다. 그러나 30년이 지나고 40년이 지나도 화력발전이 원자력발전보다 여전히 더 싼 비용으로 전력을 생산하고 있다. [1]

물론 그 차이는 많이 좁혀졌지만, 50년 전에 원자력발전의 지지자들이 꿈꾸던, 상상할 수 없이 값싼 전력을 생산하는 기술은 어디까지나 꿈에 불과한 것으로 드러났다.

이는 원자력발전도 기술이 발전했지만, 꾸준한 수요를 바탕으로 전통적인 화력발전도 쉬지 않고 개량을 거듭해 왔다는 데 원인이 있다. 심지어는 한물 간 연료로 여겨지던 석탄이 최근 신기술의 도움을 받아 화력발전 시장에서 천연가스를 밀어내고 주도적인 지위를 되찾을 수 있을 것으로 세계 3대 발전기 업체 -GE, 알스톰, 지멘스- 는 전망하고 있다. [2]

이러한 사실은 독일과 프랑스가 공동으로 개발 중인 제3세대 원자로인 유럽 차기 경수로 EPR의 설계목표가 여전히 “다른 1차 에너지원과 경합할 수 있는 경제적인 발전단가의 달성”, 구체적으로는 석탄 화력보다 10% 낮은 발전단가를 목표로 하고 있다는 점[3]에서도 쉽게 확인할 수 있다.

즉 경수로의 사례는 새 기술이 낡은 기술을 압도할 수 있을 거라고 안이하게 믿어서는 안 된다는 것을 잘 보여준다.


왜 경수로였던가?

이와 같은 높았던 기대에 비해서는 턱없이 실망스러운 원자력발전의 경제성에 대해 일부 논객들은 이러한 책임이 시핑포트 발전소가 영원히 비경제성을 면할 수 없는 경수 원자로를 선택했기 때문이라고 비판했다.

사실 경수로는 우라늄 연료를 상대적으로 비효율적으로 소비하는 형태 중 하나다. 시핑포트 원자로가 선택된 이유는 가능한 단시간 내에 원자력발전소를 건설한다는 미국의 결정 때문이었다. 해군은 원래 함정추진용으로 그 원자로를 만들었지만 이후 원자력발전소라는 전혀 엉뚱한 용도로 급하게 변형된 셈이었다.

이런 비판은 조금 극단적이지만, 아무튼 분명한 사실은 최초로 원자로 형태를 선택할 때 원자로 가동의 경제적 측면은 마지막 고려사항이었다는 것은 사실이다.

릭오버 제독이 경수로를 선택한 것은 기술적으로 보수적인 선택이었다. 물은 가스나 액체금속 같은 다른 생소한 냉각제에 비해 잘 알려진 소재였고, 물을 이용한 에너지 전환은 증기 보일러나 터빈 등으로 입증된 기술로 많은 경험과 인력이 축적되어 있었던 것이다.

지난 50여년을 돌이켜 보면 경수로는 시장의 압도적인 승자였음이 분명하다. 2000년 연말 기준으로 430기의 발전용 원자로 중 80% 이상(345기)이 경수로이며, 발전용량으로는 87%에 달한다.

기술의 세계에서는 발전 가능성이 경쟁 제품에 비해 가장 뛰어나지 않더라도 많이 팔리고, 많이 쓰이는 제품이 시장을 장악하고 경쟁 기술에 대한 투자와 성장을 꺾어버리는 경우가 종종 있다.
경수로의 개발과 개량에는 수십 년간 가장 많은 자금과 인력, 시간이 투자되어 왔기 때문에 나름대로 잠재력은 있지만 많이 팔리지 않아 기술과 경험이 별로 축적되지 못한 다른 노형들을 압도하고 있다고 볼 수 있다.


잠수함과 액체금속로

앞서 발전용 원자로의 절대다수를 점하고 있는 가압경수로(PWR)는 원래 미 해군의 잠수함용 원자로 개발에서 파생된 것이었다고 간단히 설명한 바 있다.
그러나 이 글의 주제인 고속증식로에 사용되는 냉각제인 액체금속을 사용한 원자로 또한 잠수함과 깊은 관계를 맺고 있다.

미 해군은 세계 최초의 원자력 잠수함 Nautilus호에 가압경수로를 탑재하는 한편, 이와 병행하여 액체금속로를 탑재한 잠수함 Seawolf호를 개발하여 2년간 시험했었다.[4] 경수로에 비해 작은 크기에 열효율이 뛰어난 액체금속로는 잠수함용 원자로로 이상적인 기술인 것처럼 생각되었던 것이다. 그러나 나트륨 누설 및 출력부하 변동에 따른 유동안정성 등 기술적 난제를 해결하지 못해 골머리를 앓던 미 해군은 원자력추진 군함에는 모두 가압경수로를 채택하기로 결정하고 Seawolf의 원자로를 경수로로 교체한 후 액체금속로 개발에서 손을 떼게 된다.
그 이래 지금까지 미 해군에 액체금속로를 채택한 군함이 한 척도 없음은 물론이다.

한편 미 해군의 떠오르는 경쟁자였던 소련 해군도 액체금속로의 기술적 우수성에 주목하여 연구를 거듭한 끝에 Alfa급 공격원잠이라는 독특한 잠수함을 실전배치하는 데까지 이르게 된다.[5]

Alfa급(Project 705) 잠수함에 탑재된 BM-40 액체금속로는 가압경수로의 냉각수보다 훨씬 높은 비등점(1679℃)과 열전도율을 가진 납-비스무스 혼합물을 사용하기 때문에 중간과정에서의 에너지 손실을 억제할 수 있었고, 결과적으로 가압수형에 비해 작은 크기에 높은 출력(155MW)을 얻을 수 있었다.
때문에 알파급은 비교적 작은 원자로를 탑재하고 있음에도 47,000hp(축마력)급의 높은 출력과 43~45kt 라는 고속성능, 그리고 엄청난 가속능력을 획득했다.

심지어 당시 서방 해군에는 이렇게 빠른 잠수함을 잡을 수 있는 어뢰가 없었기 때문에, 미국과 나토 국가들은 부랴부랴 신형 고속어뢰를 개발해 이에 대항해야 했을 정도였다.

그러나 Alfa급의 이러한 화려한 전력 뒤에는 비극이 자리잡고 있다.

Alfa급에 탑재된 BM-40 원자로의 냉각제는 납-비스무스 혼합물이기 때문에, 냉각제의 온도가 125℃ 이하로 내려가면 냉각제는 고체가 되며, 이때 원자로는 냉각제의 부피변화로 인해 파괴된다. 이 때문에 항구에 정박 중에 원자로를 끌 수 있도록 하기 위해 이 잠수함의 모항에는 외부에서 고온의 증기를 불어넣어 원자로의 동파를 방지하는 히터가 설치되었으나 신뢰성이 없는 것으로 드러났다. 이로 인해 알파급은 일단 원자로에 시동을 걸면 절대 끌 수가 없었고, 항구에 정박 중에도 원자로를 계속 돌려야 했다.

Alfa급은 총 7척을 건조했는데, 1972년, 1977년, 1982년, 1989년 등, 총 4차례에 걸쳐 냉각계와 관련된 사고가 일어났으며, 사고가 일어난 네 척은 모두 수년 이상 작전에 투입되지 못한 채 기관교체급 이상의 수리를 받아야만 했다.

다음은 Alfa급의 이력서이다. 7척 중 4척이 대형 원자로 사고를 겪고 겨우 10년 남짓 사용한 후 서둘러 퇴역할 수밖에 없었음을 잘 보여준다.

K-377: 1972년 취역, 1974년 퇴역 (원자로 사고 후 해체)
K-316: 1979년 취역, 1995년 해체 (히터 고장으로 원자로 파괴)
K-373: 1978년 취역, 1990년 퇴역 (예비)
K-123: 1978년 취역, 1995년 퇴역 (1982년 원자로 사고, 1990년 원자로 교체)
K-432: 1982년 취역, 1995년 해체 (1990년부터 예비)
K-463: 1982년 취역, 1987년 퇴역 (원자로 사고 후 경수로로 교체)
K-493: 1983년 취역, 1997년 퇴역 (경수로로 교체)


위에서 살펴본 것처럼 액체금속로는 처음에 경수로에 비해 작은 크기에 열효율이 뛰어나 잠수함용 원자로로 이상적인 기술인 것처럼 생각되었다. 하지만 그것은 주요한 기술적 특징만 나열했을 때의 이론적인 이야기고, 실제로 개발에 뛰어들어 보니 액체금속이라는 생소한 소재를 다룸에 있어 극복하기 힘든 난제가 속출하였던 것이다.
핵 기술의 선도국가인 미국과 소련이라는 양대 초강대국이 겪은 이러한 좌절은 액체금속을 사용하는 원자로 전반, 특히 고속증식로의 안전성과 경제성에 대해 중요한 의문을 제기하게 한다.
...... 안전성이야 그렇다 치고 경제성은 왜 의문인 것일까?


원자력발전의 원가구조

경수로에 의한 원자력발전의 단가는 약 9엔/kWh(1996년)이다. 원자력발전에 요하는 비용은 발전소 건설에 소요되는 자본비, 운전에 소요되는 운전보수비 및 핵연료비의 세 부분으로 크게 나눌 수 있다. 그 중 자본비는 전 경비의 50∼60% 정도의 높은 비율을 차지하고 있다. 한편 핵연료비는 약 2 엔/kWh으로서 전 경비의 20% 정도를 차지하는 데 불과하며 또 그 내역에는 핵연료를 취득하는 비용 외에 사용후연료의 재처리비 및 폐기물처리처분비도 포함되어 있으며 이 사용후연료에 걸리는 비용이 핵연료비의 반 이상을 차지한다. 이와 같은 자본비 비율이 높은 경비구조에서 발전로의 설비이용률을 높이는 것이 원자력발전의 경제성향상을 위해 중요하다. [6]

미국의 국가 에너지정책 보고서도 이런 견해를 뒷받침하고 있다. 동 보고서는 가동 중인 원자력발전소의 설비이용률을 2000년의 실적에서 2% 정도 높여 92%로 개선하는 것만으로도 신규로 2,000MWe의 원자력 발전소를 건설하는 것에 상당한다고 지적하였다. 또 여러 가지 방법으로 가동 중인 원자력발전소의 정격출력을 높이는 것이 약 12,000MWe의 설비용량의 확대에 상당한다고 생각하고 있다. [7]

즉 증식로의 가장 큰 장점으로 선전되는 것이 핵연료를 태우고 나면 연료가 될 수 있는 물질이 불어난다는 것인데, 화력발전과는 달리 원자력발전에서 핵연료 자체는 원가 비중이 높지 않기 때문에 이런 측면이 증식로의 경제성을 비약적으로 향상시켜주지 못한다는 한계가 있는 것이다.

반면 사고나 정비, 연료교환 등으로 인해 값비싼 원자로의 가동을 중단하는 시간을 얼마나 줄일 수 있느냐 내지는 한번 건설한 원자로를 얼마나 오래 쓸 수 있느냐 등이 경제성을 좌우하는데 훨씬 중요한 요소가 된다.


고속증식로의 사고사례들

그런데 앞서 미국과 소련의 원자력잠수함의 사례에서 보았듯이 액체금속을 냉각재로 사용하는 원자로는 경수로에 비해 본질적으로 사고의 위험성이 크다.

고속증식로의 사고사례는 액체금속 누출에 의한 것이 많은 것이 특징이다. 증식로에 많이 사용되는 나트륨의 경우 화학적으로 활성이어서 누출될 경우 물, 공기, 콘크리트와 반응해 화재를 일으킬 수 있다. 또한 나트륨은 융점이 98℃로 동파 문제도 존재한다.
Alfa급 공격원잠처럼 심각한 것은 아니었지만 러시아의 BR-5/BN-350/BN-600, 영국의 DFR, 미국의 EBR-2, 프랑스의 랩소디/피닉스/슈퍼피닉스, 일본의 몬쥬 등 주요한 고속증식로들도 비슷한 사고를 겪고 운영을 중단한 사례가 비일비재하다. [8] [9]

체르노빌 같은 대참사까지 이르지 않더라도 작은 사고로도 원자로 가동을 중단시켜야 하며, 사고 예방을 위해 정비주기를 줄이면 역시 가동률이 떨어져 채산성이 악화된다.

또한 이러한 사고사례들이 프랑스에서 볼 수 있듯이, 일회적인 것이 아니고 개량된 차기 모델에서도 계속 나타나고 있음에 주목해야 한다. 기술자들이 근본적인 해결책을 내놓지 못하고 부분적인 개량에 그치고 있음을 보여주는 것이기 때문이다.


기술적 난제는 극복될 것인가?

이론적으로만 보면 나트륨 같은 액체금속은 열전도도가 높고 열전도율도 크다. 즉 열적 특성이 우수하므로, 더 효율적인 발전을 할 수 있을 잠재력을 갖고 있다.
그러나 액체금속을 열교환기에 사용한 사례는 몇몇 원자로를 제외하면 찾아보기 어렵고 증기기관의 대두 이래 수백 년간 확립되어온 물(경수) 이용의 방대한 경험과 노하우, 그리고 지금도 지속적으로 이루어지고 있는 투자와 기술개발에 비하면 새 발의 피라고 할 수 있다.

즉 수요가 없으니 기술발전이 이루어지지 않고, 경험이 없으니 사고가 잦고, 사고가 잦으니 경제성이 떨어지고, 경제성이 떨어지니 투자와 수요가 위축되는 식의 악순환에 이미 빠져있는 것이다.

아마 어느 날 지구상의 물이 몽땅 사라져 액체금속으로 열교환기를 만들 수밖에 없거나, 우라늄이 고갈되어 플루토늄에 동력원을 의지할 수밖에 없는 상태가 닥친다면 전 세계의 기술자들이 죽기 살기로 달려들어 기술적 해결책을 완성할 수 있을지도 모른다.

그러나 현재의 상황은 이와 완전히 다르다.

앞서 지적한 대로 핵연료의 원료가 증식된다는 것은 발전비용 중 핵연료가 차지하는 비중이 매우 낮기 때문에 투자를 끌어들일만한 매력이 별로 없다.
그렇기 때문에 증식로에 대한 개발과 투자가 힘을 받으려면 오직 한 가지 이유, 우라늄이 고갈되거나 공급에 심각한 차질이 벌어지는 위기상황이 장기간(고속증식로 개발에 투자가 시작되어 기술을 확립할 때까지 걸리는 수십 년 이상) 계속될 것으로 예상되는 경우 밖에 없다.

그러나 현재 밝혀진 우라늄 매장량만 생각해 보아도, 22세기면 몰라도 21세기 안에 원자력발전이 플루토늄 이용을 하지 않을 수 없는 심각한 우라늄 공급부족에 시달릴 가능성은 매우 낮다.
즉 현 시점에서 고속증식로 개발에 배팅해야 할 절박한 동기가 없는 것이다.

실제로 서방 선진국 전반에 걸쳐 고속증식로 개발의 열기는 완전히 식어버렸고, 미국, 프랑스, 독일, 영국 등의 계획도 대부분 취소되었다. 현 시점에서 대규모 고속증식로 개발을 아직도 포기하지 않은 나라는 일본이 유일하다.


그럼 일본은 대박을 터트릴 수 있을까?

모든 나라가 본격적인 개발을 포기하고 기초연구 수준에서 머무르고 있을 때, 오직 한 나라만이 실용화를 위해 매진하고 있다. 그럼 이 나라는 성공하면 대박이고 실패하면 쪽박인 “고위험 고수익” 투자를 하고 있다고 볼 수 있는 것일까?

나는 일본은 한때 “고위험 고수익”이었을지 모르나 이미 “고위험 저수익” 투자가 되어버린 천덕꾸러기에 집착하고 있다고 믿는다.

지금 문제는 고속증식로 기술에서 일본이 다른 나라보다 앞서느냐 마느냐가 문제가 아니다. 남들보다 시간과 노력을 더 들인 만큼 그 분야에서는 당연히 어느 정도 앞서나가게 될 것이다.

진정한 문제는 어떤 시점에서 당대의 고속증식로 기술이 현재의 지배적 기술인 경수로나 다른 차세대 원자로 기술, 혹은 화력발전 같은 경쟁자들과 맞붙어 경쟁에서 살아남고 시장을 넓혀나갈 수 있을 만큼 신속하게 기술발전을 이룩할 수 있는가이다.

기술이 빨리 발전하기 위해서는 그 기술의 개발과 개량에 투입된 자금과 인력의 풀이 충분히 크고 치열한 경쟁이 존재하는 것이 중요하다.
시장이 충분하고 여러 국가와 기업이 뛰어들어 경쟁하는 상태에서는 누군가가 조금 앞선 발명을 내놓으면 경쟁자들이 신속히 이를 모방하고 개량하는 과정을 통해 해당 업계 전반의 기술적 수준이 빠르게 향상된다. 화력발전이나 경수로 분야는 현재 바로 이런 조건이 갖추어져 있다.
일본이 혼자 매달리고 있는 고속증식로 분야는 이러한 경쟁이 이루어지지 않고 있기 때문에 설령 혼자 열심히 한다 하더라도 경수로나 화력발전 같은 경쟁분야에 비해 기술개발이 상대적으로 늦어질 수밖에 없다.

일본은 일찍부터 홀로 아날로그 HDTV에 큰 투자를 했다가 큰 손해를 보고 접어야 했던 아픈 기억이 있다. 기술 개발에 있어서 앞서가는 것은 중요하지만 또한 “너무” 앞서가도 손해를 보기 쉬운 것이다.


결론

이와 같이 “때면 땔수록 연료가 불어나는” 꿈의 원자로라고 선전되는, 고속증식로 개발의 신화 뒤에 있는 여러 가지 어두운 그림자를 살펴보았다.
미국이나 프랑스 같이 일찍부터 고속증식로 개발에 뛰어들었던 나라들이 뒷짐을 지고 물러서는 데는 그만한 이유가 있기 마련이다. 만약 여러 나라들이 다시 고속증식로 개발에 적극적으로 뛰어들어 경쟁이 활성화된다면 증식로 개발의 전망은 밝아질 것이다. 그 때는 우리도 남들 하는 만큼은 해 두는 것이 안전하다.
그러나 현재와 같은 암울한 환경에서 나 홀로 투자에 뛰어드는 것은 지극히 위험한 일이며 전망도 밝지 않다는 것을 강조하고 싶다.

경제학자 케인즈는 “장기적으로 보면 우리 모두는 죽기 마련이다.”라고 갈파한 적이 있다. 나는 원자력발전의 주종이 고속증식로로 넘어가게 되는 것은 적어도 내가 죽어 없어지고 난 뒤의 일일 것이라고 확신한다.


참고:
[1] George Basalla, "The Evolution of Technology", Cambridge Univ. Press,
[2] Peter Marsh, "Power companies predict return of coal", Financial Times, 2006년 1월 15일
[3] AREVA http://www.cri.ca/nuclear_energy/datagb/actualites/epr.htm
[4] "USS Seawolf (SSN-575)", wikipedia.org
[5] "Alfa Class Attack Submarine", GlobalSecurity.org
[6] 原子力百科事典 ATOMICA
[7] National Energy Policy Development Group, "National Energy Policy", 2001년 5월, 5-15
[8] “일본 외 국가에서의 고속로 나트륨누출사고”, 原子力百科事典 ATOMICA
[9] “고속증식로「몬주」 이차냉각계통으로부터의 나트륨누출사고”, Ibid.


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    하얀까마귀 2006/05/08 04:31 # 답글

    • 전 원자력 발전의 단가가 화력에 필적하는 줄 알았습니다. 약간 의외군요.
    • sonnet 2006/05/08 16:42 # 답글

      로리/ 경수로라면 이산화탄소 배출이 적고, 대충 화력발전과 비슷한 정도까지는 경쟁이 됩니다. 그러나 원자력을 버릴 수 없는 제일 큰 이유는 화석연료 이외의 연료를 쓰기 때문에 에너지 수급을 다변화 할 수 있다는 것입니다.

      하얀까마귀/ 나라마다 복잡한 사정이 있어서 일률적으로 비교하긴 힘들지만 최신의 3세대 경수로와 최신 가스복합 내지는 석탄화력이라면 서로 경쟁할만 합니다.

      1) 미국의 경우엔 석탄이 훨씬 싼데, 미국은 감가상각이 끝난 화력발전소가 많이 있어서 원자력이 상대가 안됨

      2) 온실가스 규제나 이산화탄소 배출권 거래를 쎄게 때리면 화력 KIN

      3) 화석연료 경우엔 연료비 등락이 심해서, 시대마다 원가가 많이 달라짐

      4) 화력발전은 폐열을 지역난방으로 팔 수 있지만 원자력으론 힘듬(인구밀집지에서 멀리 떨어져있는데다 원자력 난방의 꺼림찍함)

      5) 전력산업 민영화를 밀어붙인 나라는 초기투자가 적고, 빨리 전력생산에 들어갈 수 있는 가스화력에 몰빵하는 경향이 발생함. (Thatcher KIN)

      6) 한국은 세계 평균에 비하면 원자력이 매우 매우 선전하고 있는 국가임.

    • sonnet 2007/11/27 20:13 # 답글

      우마왕/ 융합도 상용화하려면 토카막 이외의 방식이어야 하지 않을까 싶은 생각이 들더군요. 고속로의 경우엔 요즘 대세가 비증식로쪽으로 방향이 바뀌는 것 같은데, 그게 정말이라면 일본은 무척 괴로울 듯 싶습니다.
    • LoneTiger 2008/11/15 22:36 # 답글

      국내랑 연관 짓자면 MB 가 말한 국내 원자력발전소 11기 건설 이야기랑도 나름 연관 지어볼수 있을까요?

     긁적 2010/01/03 12:53 # 답글

    • ...... 그간의 많은 뻘글을 통해 오염된 눈이 정화되는 느낌입니다.
      잘 읽었습니다. ^^
      특히 '너무 앞서나가서도 문제다.'라는 부분이 재미있군요.
      실제로 너무 앞서나갔다가 죽고나서야 인정받은 사람도 여럿 있죠 -_-;
    • 문종혁 2010/01/05 23:18 # 삭제 답글

      경수로원자로사용된는 사용후 핵폐기물을 재처리 하기위해서는 고속증식로 가
      필요하다고 하는데 고속증식로는 어떤 원리로 작동합니까?그리고 미국을 왜?
      우리나라에 고속증식로 에서 사용후 고준위핵폐기물 사용을 금지하고있습니까?

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