중국 진시황이 만리장성을 쌓을 당시 황하의 물을 담아두는 하수분(河水盆)이라는 거대한 항아리가 있었다. 이 항아리의 물은 아무리 써도 줄어들지 않았다고 한다. 여기에서 유래한 화수분(貨水盆)이라는 말이 있다. 전설 속에서만 존재할 듯한 이러한 항아리가, 현대과학의 힘으로 현실이 되었다. 바로 고속증식로(Fast Breeder Reactor, FBR)가 그것이다. 고속증식로는 원자로의 한 종류로, 운전 과정에서 소모되는 핵연료보다 더 많은 핵연료를 생산하는 특징을 갖고 있다.

일반적으로 원자로에서 사용되는 핵연료는 우라늄이다. 자연계의 우라늄 동위원소는 약 99.3%의 우라늄-238, 0.7%의 우라늄-235, 그리고 극소량의 우라늄-234로 구성된다. 이중 실제로 핵분열을 일으켜 에너지를 생산하는 것은 우라늄-235이다. 우라늄-238도 핵분열 반응을 일으킬 수 있지만, 확률이 낮다. 그러나 우라늄-238은 핵분열 과정에서 발생하는 여분의 중성자를 흡수하고 두 번의 베타 붕괴를 거쳐 플루토늄-239로 변환된다. 이 플루토늄-239는 우라늄-235처럼 핵연료로 활용될 수 있다.

현재 상업용 원자로의 대부분을 차지하는 경수로(LWR)에서는 저농축 우라늄(우라늄-235 비율 3~5%)을 사용한다. 천연 우라늄을 저농축 우라늄으로 농축하는 과정에서 우라늄-235가 감소한 감손우라늄이 만들어지고, 이는 핵연료 외 다른 용도로 활용된다. 경수로는 저속의 열중성자를 이용해 핵분열을 일으키기 때문에 여분의 중성자 발생이 적고, 이에 따라 플루토늄-239 생성량도 적다. 따라서 전체 우라늄 자원의 약 1%만이 실제 핵연료로 활용되며, 나머지 99%는 감손우라늄으로 핵연료 외 다른 용도로 사용되거나 사용후핵연료로 남아 버려진다. 이러한 방식으로 우라늄을 사용한다면, 전 세계 우라늄 자원은 얼마나 지속될까? 전문가들은 현재 방식대로라면 약 100년 이상 사용 가능할 것으로 추정한다.

반면, 고속증식로는 고속 중성자를 이용해 핵분열을 일으킴으로써 여분의 중성자를 최대한 많이 발생시켜, 플루토늄-239 생산을 극대화하도록 설계된 원자로이다. 이를 통해 소모되는 핵연료보다 더 많은 플루토늄-239를 생산할 수 있다. 즉, 사용할수록 핵연료가 증가하는 화수분 같은 원자로인 것이다. 이론적으로 고속증식로를 활용하면 모든 우라늄-238을 플루토늄-239로 변환해 핵연료로 사용할 수 있다. 우라늄 자원의 1%만 활용해도 100년 이상 사용할 수 있는데, 만약 우라늄의 100%를 활용할 경우 1만 년 이상 사용가능하다는 계산이 나온다.

우리나라는 지난 30년 이상 한국원자력연구원을 중심으로 고속로 개발 연구를 진행해 왔으며, 2028년 건설을 목표로 2012년부터 실증로 개발 프로젝트가 시작됐다. 고속증식로는 양질의 핵연료를 대량 생산할 수 있어 핵무기 전용의 우려가 있기에, 한국형 실증로는 소모되는 만큼만 핵연료를 생성하도록 설계됐다. 그러나 해당 프로젝트는 탈원전 정책의 영향으로 중단됐고, 현재까지 재개되지 못하고 있다. 최근 정부는 한국형 차세대 원자로 기술 개발 및 실증 프로그램(K-ARDP)을 통해 민관 합동으로 실증로 건설을 재추진했지만, 예산의 90%가 삭감되는 등 여전히 난관에 봉착해있다.

고속증식로는 사용할수록 더 많은 핵연료를 만들어내는 혁신적인 원자로이다. 이 기술이 상용화 된다면, 인류는 수만 년 동안 에너지 걱정 없이 지속 가능한 원자력 발전을 할 수 있다. 이에 세계 각국은 고속로 개발에 속도를 내고 있는데, 빌 게이츠가 지원하는 테라파워(TerraPower)의 나트륨 원자로(Natrium Reactor)가 대표적인 예다. 다양한 난관에도 고속증식로는 인류의 지속 가능한 에너지원 확보를 위한 중요한 기술이다. 기후 변화와 에너지 수요 증가로 인해 안정적이고 친환경적인 대체 에너지원이 절실한 지금, 고속증식로는 한정된 자원을 최대한 활용할 수 있는 혁신적인 해결책이 될 수 있다. 이는 미래 세대가 에너지 부족 없이 번영할 수 있는 중요한 투자이며, 전 세계가 협력해야 할 과제다.