‘꿈의 차세대 원자로’가 온다

‘꿈의 차세대 원자로’가 온다 수소에너지 만들고 핵 연료도 재활용 수소 휘발유’를 펑펑 쏟아내는 원자로, 핵 연료를 수십 번 이상 다시 쓰는 원자로, 위험한 핵 쓰레기를 크게 줄인 원자로, 만에 하나 사고가 일어나도 방사능이 바깥으로 새지 않는 원자로…. ‘꿈의 원자로’로 불리는 4세대 원자로의 새싹이 움트고 있다. 4세대 원자로는 1세대 첫 상업용 원자로, 2세대 본격적인 대형 원자로에 이어 현재 건설중인 3세대를 잇는 차세대 원자로다. 전기를 만드는데 치중했던 기존 원자로에서 더 나아가 ‘핵연료에서 핵 쓰레기까지’ 모든 문제를 해결하는 ‘원자력 종합 단지’다. 특히 ‘위험하고 더러운’ 것으로 인식돼온 원자력발전을 ‘깨끗하고 안전한’ 원전으로 탈바꿈시킨다. 원자력 발전의 골칫거리 핵무기 문제도 말끔하게 해결한다. 2020-2030년 등장할 4세대 원자로 4세대 원자로는 과연 언제쯤 등장할까. 한국원자력연구소 장문희 신형원자로개발단장은 “2020-2030년에 차세대 원자로를 이용한 원자력발전소가 나올 것”이라고 말했다. 지금부터 15-25년 뒤지만 세계적으로 차세대 원자로를 개발하기 위한 준비 작업은 이미 뜨겁다. 특히 외국에서 원자력 기술을 수입하는데 그쳤던 한국은 3세대부터 기지개를 펴기 시작해 ‘차세대 원자로 프로젝트’에서는 오히려 다른 나라들을 선두에서 이끌고 있다. 한국을 포함한 9개 원전 선진국은 2000년 8월 서울에서 첫 공식 모임을 갖고 차세대 원자로 개발에 뜻을 모았다. 이어 2001년 7월 출범한 4세대 원자로 국제포럼(GIF)은 올해 9월 1일부터 3일까지 제주에서 14차 정책그룹회의를 열어 공동 연구개발 과제를 논의하는 등 활발하게 활동하고 있다. 참가국이 11개로 늘어난 이 포럼에서 한국은 당당한 중심국가다. 차세대 원자로의 목표는 4가지다. 더 경제적이며, 더 안전하고, 핵 쓰레기를 지금보다 획기적으로 줄이고, 핵무기를 만들 수 없는 원자로다. 현재 원자력 발전은 사고 위험성, 핵 폐기물과 핵무기 문제에 가로막혀 한국, 프랑스, 중국, 일본국가 등 일부 외에는 발전이 더디다. ‘깨끗하고 안전한’ 차세대 원자로를 통해 이 한계를 극복하자는 것이다. 현재 6개의 후보가 저마다 자기가 ‘준비된’ 미래 원자로라며 ‘차세대 원자로 대선’에서 치열한 경쟁을 펼치고 있다. 바로 수소생산로(초고온가스로, VHTR), 액체금속고속로(나트륨냉각고속로,SFR), 가스냉각고속로(GFR), 납냉각고속로(LFR), 용융염원자로(MSR), 초임계압수냉각원자로(SCWR)다. 이들이 다 등장할 수도, 일부만 현실로 나타날 수도 있다. 이중 한국이 주목하는 것은 수소생산로와 액체금속고속로 2가지다. 수소에너지 만드는 수소생산로   액체금속로를 이용한 일본 몬주원자력 발전소 전경. 액체금속로는 핵연료를 재생산해 에너지 효율을 높인다. 그동안 원자력발전소의 목적은 전기를 생산하는 것이었다. 차세대원자로의 하나인 수소생산로는 여기서 더 욕심을 부린다. 전기 뿐만 아니라 에너지원 자체를 원자로에서 얻겠다는 것. 미래에 석유를 대체할 에너지로 손꼽히는 수소를 대량 생산하겠다는 것이다. 과학자들은 곧 자동차에 휘발유 대신 수소를 넣고 휴대전화에 수소 배터리를 달고 다니며 가정에서는 수소 연료전지로 전기를 만드는 세상이 온다고 예상한다. “요즘 ‘수소경제시대’라는 말이 유행입니다. 원유값이 50달러를 바라보는 고유가 시대에 경제가 발전하려면 에너지를 안정적으로 확보해야 합니다. 더구나 깨끗한 에너지여야 합니다. 20세기가 석유에너지 시대였다면 21세기는 수소에너지 시대입니다.” 과학기술부 조청원 원자력국장은 ‘원자력을 이용한 수소 생산’의 중요성을 강조하며 이렇게 설명했다. 지하자원이 없는 한국에서는 원자력이 유력한 수단이 될 수 있다는 것이다. 미국은 이미 1996년 ‘미래 수소법’을 만들었고 지난해 연두교서에서도 부시 대통령이 “수소를 이용한 에너지 자립이 중요하다”고 강조했다. 일본도 1993년부터 수소 에너지를 이용한 기술을 개발하고 있다. 일본 도요타 자동차는 벌써 수소 자동차 분야에서 세계를 이끌고 있다. 그렇다면 원자력을 이용해 어떻게 수소 에너지를 만들까. “수소를 만드는 가장 쉬운 방법은 물을 전기분해해 산소와 수소를 만드는 것입니다. 그러나 이 방법은 비경제적입니다. ‘석유보다 더 비싼 수소’를 만드는 셈이죠. 그러나 원자력에서 나온 엄청난 열을 이용하면 값싸게 수소를 만들 수 있습니다.” 원자력연구소에서 수소생산로를 연구하고 있는 장종화 박사는 “국제 원유가가 배럴당 34달러를 넘어서면 넘어설수록 원자력을 이용한 수소 생산이 천연가스를 직접 이용하는 것보다 경제적”이라고 강조한다. 8월말 현재 국제 원유가(두바이유)는 배럴당 40달러가 넘는다. 석유 매장량에 한계가 있는 상황에서 예전의 저유가 시대로 돌아갈 가능성도 작다. 우라늄이 핵분열을 하면 원자로에서 열 에너지가 나온다. 이 열을 식히기 위해 냉각제를 쓰는데 기존 원자로(경수로)는 물을 사용한다. 수소생산로는 물 대신 기체를 쓴다. 물은 아무리 압력을 가해도 3백20℃가 고작이지만 기체는 이론적으로 1천℃까지 올릴 수 있다. 실제로 지난 4월 일본 연구진이 9백50℃까지 올리는데 성공했다. 냉각제를 고온으로 올릴수록 열효율이 올라간다. 세계적으로 헬륨, 질소, 이산화탄소 등을 이용하는 방법이 개발되고 있다. 수소생산로의 가능성을 높이 산 미국 정부는 2010년까지 1천3백억원을 들여 아이다호주에 수소생산로 실험로를 지을 계획이다. 장 박사는 “고온 기체를 이용해 물을 전기분해하거나 열화학적인 방법을 이용하면 수소 생산 효율을 50%까지 올릴 수 있다”며 “이는 일반 전기분해법보다 2배나 높다”고 설명했다. 원자력연구소는 수소생산로를 개발하기 위해 이 분야에서 앞선 중국 칭화대와 최근 제휴를 맺었다. 핵연료 재활용하는 액체금속고속로 액체금속로는 핵연료를 거듭 써 에너지 효율을 극한으로 높인다. 기존 원자로는 핵연료에 들어 있는 우라늄235(양성자와 중성자가 모두 2백35개 들어 있는 우라늄)를 고작 한번 태운 뒤 버린다. 그러나 액체금속로는 다 쓴 핵연료에서 새로운 핵연료가 계속 나오기 때문에 핵연료 이용률이 60배 이상 올라간다. 한국원자력연구소 한도희 박사는 “핵연료를 태워 전기도 얻고 다른 핵연료를 만든다”며 “유한한 우라늄으로 거의 무한한 에너지를 얻을 수 있다”고 강조했다. 어떻게 이런 일이 가능할까. 액체금속로는 핵연료로 플루토늄과 우라늄238을 쓴다. 플루토늄이 핵분열을 일으키며 열에너지와 중성자를 만들고 이 중성자가 2개의 우라늄238을 다시 2개의 플루토늄으로 바꾼다. 플루토늄 입장에서 보면 한 개가 사라지는 대신 2개가 새로 생겨나기 때문에 암세포가 증식하듯 핵연료가 계속 늘어나는 셈이 된다. 쓸 수 있는 우라늄 양도 크게 늘어난다. 광산에서 우라늄 광석을 캐내면 그 안에 현재 쓰이는 우라늄235는 0.73% 밖에 없고 나머지는 우라늄238이다. 한 박사는 “현재 원자로는 지구에 묻혀 있는 우라늄의 99.27%를 그냥 버리고 있다”며 “액체금속로를 이용하면 우라늄이 수백 배 늘어나는 셈”이라고 말했다. 액체금속로의 비밀은 ‘고속 중성자’다. 기존 원자로의 핵분열에 쓰이는 중성자가 속도가 느린 중성자라면 액체금속로의 중성자는 아주 빠르다. 고속 중성자라야 우라늄238에 부딪혀 플루토늄을 만들 수 있기 때문이다. 핵분열에서 나온 중성자는 원래 속도가 빠르지만 원전을 안전하게 돌리기 위해 그동안 감속제(물)로 속도를 늦췄다. 그러나 액체금속로는 감속제를 쓰지 않고 고속 중성자를 바로 이용해 효율을 높인다. 다만 냉각제로 물을 쓸 수 없어 대신 액체 금속을 쓴다. 한국은 액체 나트륨을 쓸 계획이다. 다른 4세대 원자로는 원리는 비슷하지만 냉각제가 조금씩 다르다. 고속원자로는 냉각제의 상태에 따라 납냉각고속로(납), 가스냉각고속로(기체), 용융염고속로(염)로 나뉜다. 압력이 수백 기압으로 높은 물을 쓰는 초임계압수냉각원자로도 있다. 세계 속에 우뚝 선 한국형 액체금속로   한국원자력연구소에서 차세대 원자로를 개발하고 있는 주역들. 왼쪽부터 한도희 박사, 장문희 단장, 김학노 부장, 장종화 박사, 김현준 실장. 2001년 액체금속로의 참조 모델을 놓고 4세대 원자로 국제포럼에서 일종의 경연 대회가 열렸다. 여러 나라가 그동안 개발한 액체금속로 설계도를 선보이며 기술을 뽐냈다. 나트륨을 이용한 액체금속로만 해도 20여개가 넘었다. 한국도 물론 여기에 참가했다. 당시 원자력연구소는 ‘칼리머(KALIMER)-600’이라는 모델을 개발하고 있었다. 세계 과학자들의 심사 끝에 칼리머-600은 내로라하는 경쟁국을 물리치고 일본이 설계한 액체금속로와 함께 최종 후보에 올랐다. 표준이 아니라 참조 모델이기 때문에 다른 나라들이 우리 원자로를 본따 그대로 차세대 원자로를 개발하는 것은 아니다. 그러나 많은 나라가 한국인이 만든 원자로 모형을 주목하게 된 것은 사실이다. “핵연료에서 나온 플루토늄을 핵폐기물과 분리하기 매우 어렵게 해 원자폭탄의 제조 가능성을 크게 줄인 점이 돋보였습니다. 다른 나라보다 액체금속로에 대한 기초 기술이 부족했지만 대신 백지 상태에서 출발할 수 있어 아이디어를 최대한 살릴 수 있었죠.” 이 모델을 개발하는데 참여한 원자력연구소 한 박사는 “올해만 일본에서 세차례나 초청을 받는 등 그때 이후 세계 원자력 학계가 한국의 기술 수준을 높이 보고 있다”고 말했다. 안전하고 핵 폐기물도 줄이는 차세대 원자로   실험실에서 핵연료를 정제하는 모습. 차세대 원자로들은 다른 장점들도 갖고 있다. 수소생산로는 50년대 영국에서 개발된 가스냉각로에서 시작됐다. 옷이 유행을 따라 돌고 도는 것처럼 한때 경쟁에서 밀린 가스로가 다시 부각된 것이다. 특히 지금까지 여러 곳에 건설된 가스원자로는 안전성이 매우 높은 것으로 평가되고 있다. 실제로 독일이 건설한 가스로(AVR)는 1977년 증기발생기가 새면서 27t의 뜨거운 물이 핵연료에 떨어졌지만 핵연료에 아무 손상이 없어 계속 쓸 수 있었다. 미국의 한 가스로에서도 물이 원자로 노심으로 들어가 원자로가 자주 멈추고 결과적으로 원자로를 폐쇄했으나 조사결과 핵연료에는 아무 문제가 없었다. 만일 경수로였다면 대형 사고가 일어날 수 있었다. 가스로를 처음 개발한 쿠겔러 박사(독일)는 “가스로는 운석이 충돌하거나 원자폭탄으로 공격하지 않는 한 모든 사고에 견딜 수 있다”고 장담했다. 미국에서 9.11 테러가 일어난 이후 원전에 대한 테러 가능성이 높아지고 있는 가운데 주목할 만한 부분이다. 원자력연구소 장종화 박사는 “가스로는 출력이 경수로보다 훨씬 작아 문제가 일어나도 방사능이 누출되는 대형 사고가 되지 않는다”고 설명했다. 고속으로 달리던 오토바이는 조금만 부딪혀도 운전자가 크게 다치는 반면 자전거는 웬만큼 세게 부딪혀도 단순 타박상에 그치는 것과 비슷하다. 액체금속로의 매력은 고준위 핵폐기물을 크게 줄일 수 있다는 점이다. 핵연료를 태우고 나온 고준위 핵폐기물은 반감기가 수천-수만년에 이를 정도로 길다. 그만큼 방사능이 오랫동안 나와 위험하다. 한국을 비롯해 세계 여러 곳에서 갈등을 빚고 있는 핵폐기물 처리장 문제는 이 고준위 핵폐기물이 핵심이다. 그러나 액체금속로 안에 핵연료와 핵폐기물을 같이 놓으면 플루토늄에서 나온 중성자가 핵폐기물에 부딪혀 반감기가 훨씬 짧고 덜 위험한 물질로 바뀐다. 땅에 매장하는 등 처리에 애를 먹고 있는 고준위 핵폐기물을 크게 줄일 수 있는 것이다. 개발 과정에 아직 장애물 많아 1995년 일본이 시험적으로 운영하던 몬주 액체금속로에서 수백kg의 방사능을 띤 나트륨이 누출되는 사고가 일어났다. 나트륨이 공기와 만나 불이 났고, 이후 원자로는 가동이 중지돼 지금까지 멈춰 있다. 나트륨이 공기나 물을 만나면 폭발적인 불꽃 반응이 일어난다. 이를 막기 위해 액체금속로는 기존 경수로보다 복잡한 설계가 필요하다. 이 때문에 열효율이 떨어지고 사고의 위험은 여전히 남는다는 지적이 있다. 또 우라늄이 부족해야 액체금속로의 가치가 올라가는데 우라늄 매장량은 세계적으로 2백년 가량 쓸 정도여서 아직 경제성이 높지 않다는 반대의 목소리도 있다. ‘네이처’에 따르면 미국내 운송수단에 필요한 수소에너지를 원자력으로 모두 충당할 경우 4백개 이상의 수소생산로가 필요하다고 한다. 현재 세계에 있는 원자로는 약 4백40개 정도다. 땅넓은 미국조차 그 많은 원자로를 어떻게 건설할 수 있을지 모를 정도인데 땅이 부족하고 환경단체의 반대가 심한 한국은 말할 것도 없다. 또 1천℃에 가까운 기체를 수십년 이상 견딜 수 있는 값싼 재료도 현재는 없다. 원자로 용기, 파이프, 핵연료관 등 재료 문제는 수소생산로의 가장 큰 장애물이다. 이 점은 액체금속로도 예외가 아니다. 프랑스 원자에너지위원회 알레인 부게 위원장은 “모든 4세대 원자로에 대해 필요한 기본 기술이 아직 많다”고 지적했다. 원자력 르네상스 올까 그러나 원자력 전문가들은 4세대 원자로가 ‘원자력 르네상스’를 이끌 것이라고 자신한다. 장문희 단장은 “4세대 원자로라고 해서 전혀 없는 기술을 개발하는 것이 아니라 현재 존재하며 부분적으로 가능한 기술을 오랜 기간동안 안전하게 쓸 수 있도록 개선하고 안정화하는 것”이라고 주장했다. 1세대 원자로가 2세대, 3세대, 3세대 플러스로 발전했듯 난관은 있겠지만 4세대 원자로도 20-30년 뒤 현실로 나타난다는 것이다. 4세대 원자로는 한국에 단순한 원자력 기술 발전을 넘어 새로운 의미를 지닌다. 과기부 조청원 국장은 “원자력을 통한 전력과 수소 에너지 생산이 성공하면 한국은 해방이후 처음으로 에너지 자립국이 될 수 있다”고 강조한다. 또 4세대 원자로는 국제적인 안전성을 확보하는 한편 원전 선진국들이 정한 차세대 표준으로 자리잡게 돼 다른 나라에 원전을 수출하는 길도 열릴 수 있다. 그동안 핵무기 문제 때문에 원전 수출에 제약이 많았지만 4세대 원자로는 그 문제를 극복할 수 있기 때문이다. 고유가 시대가 이어지고 화석연료의 문제점이 갈수록 커지는 것도 원자력 발전에 힘을 싣고 있다. 이산화탄소에 세금을 매기는 기후협약이 맺어지면 석유와 석탄, 천연가스는 점점 ‘비싸고 골치 아픈’ 에너지로 변한다. 태양광, 풍력 등 대체에너지 개발도 아직은 더디다. 차세대 원자로가 전문가들의 주장대로 ‘깨끗하고 안전하면서 값싸게’ 개발된다면 원자력 발전은 에너지 위기의 새로운 대안으로 떠오를 것이다. | 고준위 핵폐기물 | 핵연료를 태우고 남은 폐기물. 방사능이 많이 나와 고준위라고 한다. 플루토늄 등 반감기가 길고 위험한 물질이 많이 들어있다. 원자로 세대, 어떻게 달라졌나 원자력 발전이 처음 성공한 것은 50년전인 1954년 6월이다. 이후 50년대 상업적으로 개발된 원자로를 1세대라고 부른다. 미국의 잠수함용 원자력 엔진을 바탕으로 개발된 경수로형 원자로, 영국의 가스냉각형 원자로 등이다. 60년대 들어서며 원자로는 경제성을 높이기 위해 점점 더 커졌고 안전도를 높이는 기술이 개발됐다. 미국의 경수로, 영국의 가스로에 이어 캐나다의 중수로가 세계 시장에 등장했다. 승자는 소형인 미국의 경수로였다. 한국의 고리 원전 1호기는 미국형 경수로, 월성 원전은 캐나다의 중수로다. 1978년 미국 드리마일 원전에서 대형 사고가 일어났다. 이후 더 안전하고 경제적인 원전이 3세대의 목표로 자리잡았다. 한국이 개발해 북한에 건설중인 표준형 원전이 3세대다. 영광 5, 6호기 울진 3, 4호기도 3세대 원자로다. 1986년 구 소련의 체르노빌 원전에서 노심이 녹는 최악의 사고가 일어났다. 이후 대형 사고의 가능성을 10분의 1로 줄이는 새로운 원자로가 개발되고 있다. 이들이 3세대 플러스 원자로로 2010년 이후에 운영될 계획이다. 한국의 APR1400과 중소형 원자로 ‘스마트’가 좋은 예다. 4세대 원자로는 2020-2030년에 도입될 예정이다. | 원자로의 세대 | 011세대-첫 상업용 원자로. 022세대-대형 상용 원전. 경수로, 중수로. 033세대-경제성 안전성 높인 개량형. 신형 경수로. 043세대 플러스-대형 사고 예방, 한국의 ‘스마트’원자로. 054세대-2020-2030년 이후. 수소생산로, 액체금속로.