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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <46>핵분열에너지의 문제점과 과제를 말한다

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  •  |  입력 : 2018-06-04 14:25:38
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현재 지구상에 자연적으로 존재하는 원소 중 대량으로 존재하는 것으로는 우라늄이 원자번호와 원자량이 가장 큰 원소이다. 우라늄의 원자번호는 92이다 우라늄은 원자반경이 크기 때문에 그 비중(밀도)은 원자번호 77번 부근의 오스뮴, 이리듐, 백금 보다 작다.

우라늄은 몇 개의 동위원소가 알려져 있지만, 그 모든 동위원소가 방사성 핵종이며, 지구상에서 안정적으로 계속 존재할 수 없는 원소로 알려져 있다. 우라늄의 동위원소에는 반감기가 길다. 우라늄238은 반감기가 약 44억6800만 년이며, 우라늄235는 약 7억380만 년이다. 현재 지구에 자연적으로 존재하는 우라늄은 우라늄238(지구 우라늄의 약 99.27%를 차지), 우라늄235(지구 우라늄의 약 0.72 % 차지), 우라늄234(지구 우라늄의 약 0.0054% 차지) 3종의 동위원소이다.

한편 우라늄234의 반감기는 약 24만5500년이다. 우라늄234가 현재 지구에 존재하고 있게 된 이유는 우라늄238이 납206으로 변화하는 과정(우라늄계열)에 이 우라늄234가 속해 있기 때문이다. 우라늄238이 한번의 α붕괴와 2번의 β붕괴를 함으로써 우라늄234가 되기 때문에 우라늄238이 존재하는 한, 우라늄234도 없어지지 않다. 그런데 21세기 현재 전 세계의 일반 원자로에서 핵연료로 사용하려면 우라늄농축공정을 거쳐야 하는데 우라늄235의 농축작업이 필요하다.

우라늄은 지각이나 해수에 미량이지만 널리 분포되어있는 원소로, 존재량은 주석과 비슷하다. 현재까지 알려진 우라늄의 70%는 호주에 매장돼 있으며, 특히 호주 남부의 올림픽댐광산이 세계 최대로 알려져 있다. 반면 수출량은 캐나다가 세계 최대로 서스캐처원주와 알버타북부에 걸친 아사바스카퇴적분지에서 고품질의 우라늄이 생산되고 있다.

   
원자력발전(핵발전)은 핵분열을 이용한 발전이다. 보통의 핵연료는 원폭과 같은 우라늄(U)235라는 원자를 사용한다. 원폭이나 원전 모두 이 원자에 중성자를 합성시켜 핵분열을 일으키게 한다는 점에서 원리는 같다. 원폭의 경우는 연료 속에 핵분열을 일으키는 U235가 95% 이상 포함되어 있으므로 1회 핵분열에서 발생하는 2~3개의 중성자가 잇달아 U235와 만나 한순간에 모든 핵분열이 일어난다. 원전의 연료에 포함되는 U235는 5% 정도이고 나머지는 핵분열을 일으키지 않는 U238이다. 원전은 핵분열로 생긴 중성자 일부를 제어봉에서 흡수하여 급속한 연쇄반응이 일어나지 않도록 조절하면서 발생한 열로 물을 끓여 그 증기로 발전하는 것이다.

세계적으로 핵분열에너지와 관련해, 원자력발전을 줄이고 폐지하고 있는 나라와 원자력발전을 계속 추진하려는 나라로 크게 나뉘고 있다. 근래의 이러한 흐름은 2011년 3월 11일 발생한 일본 후쿠시마원전사고가 계기가 됐다.

원자력발전은 일반적으로 다음과 같은 장점이 있는 것으로 알려지고 있으나 이에 대한 반론도 만만치 않다.

첫째, 화력발전에 비해 이산화탄소 배출량이 적어 원자력발전과정에서 온실가스인 이산화탄소를 배출하지 않는다는 것이다. 친원전진영에서는 플랜트 건설 및 연료의 채굴·농축·수송 등을 포함한 전 공정 차원에서 화력발전과 비교하면 이산화탄소 배출량이 10분의 1 이하라고 한다. 따라서 산성비와 광화학스모그 등 대기오염의 원인이 되는 질소산화물과 황산화물을 배출하지 않아 화력발전에 비해 이러한 환경적인 문제를 줄일 수 있다는 것이다. 그러나 탈핵진영에서는 원자력발전의 전 과정의 이산화탄소 배출량은 결코 적지 않고, 발전 과정에서 이산화탄소는 배출하지 않는다고 해도 원자력발전에서 나오는 온배수로 인해 오히려 바다의 이산화탄소가 공기 중으로 배출돼 지구온난화 완화에 그다지 도움이 되지 않는다고 주장한다.

둘째, 비용이 싸다는 것이다. 발전단가가 저렴하고 경제성이 우수하다는 것이다. 친원전진영은 입지나 연구개발, 고준위방사성폐기물처분, 재처리, 폐로 등의 비용을 모두 포함해도 화력발전에 비해 비용경쟁력을 갖고, 특히 화석연료 가격 상승시에는 비용 우위성이 높아진다. 발전비용에서 차지하는 연료비의 비율이 다른 연료계의 발전방식에 비해 매우 낮기 때문에 연료가격이 상승해도 총발전비용이 상승하기 어렵다. 화력발전과 비교하는 경우 연료의 에너지밀도가 높고, 비축 및 수송이 용이한 면도 있다. 화력발전과 비교할 때 연료를 한번 장전하면 1년 정도는 교환할 필요가 없다고 강조한다.
이에 대한 탈핵진영의 반론으로 우리나라의 경우 원자력의 발전단가가 명확하게 공개되고 있지 않고 있다. 원가산정시 원자력의 경우 세금이나 지중화비용, 사고위험비용은 물론, 폐로비용 및 사용후핵연료처리비용 등이 제대로 반영되지 않아 상대적으로 싸게 보이는 것이다. 안전비용 부담으로 원자력의 발전단가는 오히려 올라가고, 상대적으로 재생가능에너지의 단가가 원자력에 비해 싸지는 시대가 불과 5년 내에 온다고 강조한다.

   
신고리원전 1호기 연료장전 장면. 연합뉴스
셋째, 연료의 공급이 안정적이라는 것이다. 중동에 크게 의존하는 석유와 달리 우라늄공급국은 호주와 캐나다 등 정치적으로 안정돼 있는 나라가 많다. 가령 해수 중의 우라늄이나 토륨자원 등의 방대한 매장량을 고려하지 않고 지표면 근처에 매장된 우라늄에만 한정하더라도 가채년수(확인가채매장량 ÷ 연간생산량)는 석유와 천연가스에 비해 크다(석유 42년, 천연가스 60년, 우라늄 100년, 석탄 122년). 핵연료 물질의 국제입수루트나 가격이 거의 안정적이기에 화석연료형 발전에 비해 상대적으로 안정적인 전력공급을 기대할 수 있다. 이에 대한 반론으로 우라늄도 결국은 천연자원으로 화석연료와 마찬가지로 고갈위기에 놓여있어 한계가 있다는 것이다.

넷째, 기술진보에 의한 장점을 향상시킬 수 있는 가능성이 있다는 것이다. 친원전진영은 비교적 소량의 핵연료를 반복 사용하는 핵연료사이클을 확립할 수 있으면 연료자원이 부족한 나라에서도 핵연료 물질의 입수에 관한 제약을 완화할 수 있다. 사용 후핵연료 중에서 플루토늄을 추출해 다시 이용하는 ‘플루서멀’에 대해서는 유럽선진국에서 이미 수십년 전부터 지속적으로 실시하고 있다. 세계적으로 러시아, 중국, 인도, 프랑스 등의 국가들이 고속증식로 연구개발을 계속하고 있다. 해수에서 우라늄포집이 값싸게 실현되면 더욱 풍부한 자원을 이용할 수 있다고 강조한다. 이에 대한 반론으로는 사용후핵연료 재처리의 경우 일본에서 시도해왔지만 괄목한만한 성과를 거두지 못했다. 사용후핵연료처분장 문제는 전 세계적으로 아직도 제대로 해결되고 있지 못하다는 것이다.

한편 원자력발전은 다음과 같은 문제점도 제기되고 있다.

첫째, 환경부하가 큰데 평시 가동중인 원자력발전소에서는 삼중수소가 방출된다는 것이다. 평시의 온배수방출은 복합사이클화력발전소에서는 출력 100만 ㎾당 40㎥/s, 가스터빈과 증기터빈 복합사이클화력발전소에서는 25㎥/s인데 비해 원자력발전소에서 70㎥/s이다. 그런데 원자력발전의 경우 중대 사고가 발생하면 환경에 막대한 피해를 주는데 그 영향은 수천 ㎞를 넘어 광범위하게 미친다. 경수로의 경우, 만에 하나 냉각수가 공급되지 않으면, 대량으로 발생하는 붕괴열을 제거할 수 없어 30분 뒤에는 핵연료가 녹기 시작해 노심용융이 일어나고, 2시간만에 원자로가 손상, 파괴된다는 구조적 불안정성을 안고 있다고 주장하는 학자도 있다. 이러한 사태는 방사성강하물(일반적으로 죽음의 재라고 한다)의 대량방출로 사회적 비상사태를 맞게 된다. 즉 중대사고가 발생해 고준위 방사선이나 방사성물질이 대량 누설되는 경우 인간이 접근하기가 곤란해 복구하기가 매우 곤란해진다는 것이다. 또한 원자로의 운전에 따라 중성자선이나 감마선이 발생하기 때문에 발전시설에서 일하는 작업자가 피폭 피해를 입을 가능성이 있다는 것이다.

   
고리원전 1호기 사용후연료 저장조. 연합뉴스
둘째, 원자력발전은 ‘화장실없는 고급아파트’로 불릴 정도로 사용후핵연료처리에 대한 대안이 사실상 없다는 것이다. 특히 일본과 같이 지진이 많은 나라에서는 지층처분을 실시하는 것이 곤란하고, 매우 위험하다는 것이다. 특히 수만 년이나 되는 반감기를 가진 고준위방사성폐기물의 심지층처분문제는 지역주민의 동의를 받기 어려운 실정이다. 현재 스웨덴과 핀란드를 제외한 대부분의 국가에서 지하매설처분지가 확보되지 않는 상태라는 것이다.

셋째, 원자력발전은 쓰나미나 테러 등에 취약하다는 것이다. 우리나라나 일본의 경우 냉각수를 이용하기 위해서는 주로 해안선을 따라 원전이 자리하고 있다. 일본의 경우 2011년 후쿠시마원전사고와 같이 지진·쓰나미로 인해 피해를 받을 우려가 상존하고 있다는 것이다. 또한 개도국에 원전이 건설될 경우 안전성이 우려된다. 특히 원전이나 핵폐기물처리시설에 대한 테러위험이나 군사공격의 목표가 되기 쉬운 취약점을 안고 있다는 주장이다.

넷째, 원자력발전의 연료인 우라늄도 유한한 천연자원이라는 것이다. 천연우라늄은 가채연수가 일반적으로 100년 정도 보는데 70년으로 추산하는 경우도 있다. 플루토늄은 천연에는 거의 존재하지 않고 우라늄 연소후 사용후 핵연료에서 생성된다. 이러한 플루토늄은 핵무기의 재료가 될 수 있으며, 추출하는 데는 매우 높은 기술과 전용설비가 필요하다는 것이다.

다섯째, 원자력발전은 사용후핵연료 관리, 폐로사고시 배상 등 장기적으로 보면 엄청난 비용이 든다는 것이다. 핀란드와 프랑스에서는 아레바사의 첫 3세대 원자로 건설이라는 이유나 건설지연 등으로 인해 신규원자로 건설비용이 상승하고 있다고 한다. 또한 사용후핵연료 재처리비용을 고려할 때 ‘백엔드비용’이 막대한 금액이 될 것으로 추정되고 있다.

전력의 생산지와 소비지가 떨어져 있기 때문에 장거리송전시 전력손실이 커, 송전망비용이 높아지고 송전선사고로 정전위험이 늘어나고 있다. 특히 발전단가를 비교할 때 채산성이 나쁘고 고비용인 원자력의 안전성을 강화하는 것 자체가 경제효율성을 떨어뜨려 경제부담을 증가시킨다는 주장도 있다. 또한 원자력발전은 발전량을 조절할 수 없기 때문에 불필요한 전력을 낳고 쉽고, 사회적인 효율성을 저해해왔으며, 원자력발전과 관련해 전력요금에 포함된 전원개발촉진세를 재원으로 하는 재정지출도 막대하다는 것이다. 일본의 경우 근년에 원자력발전을 담당하는 기술자나 원자력 관련학과도 감소하는 추세를 보이고 있다는 것이다. 우리나라도 문재인 정부들어 이와 비슷한 경향을 보이고 있다고 한다. 김해창 경성대 환경공학과 교수


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