전세계 에너지 조합에서 그린 에너지의 비율이 가장 빠른 속도로 계속 증가하고는 있지만 효율성과 용량 문제로 인해 아직 기존 고탄소 에너지원보다 크게 뒤쳐져 있는 것이 사실입니다. 효율성과 용량 문제는 그린 에너지가 지배적인 주류 에너지 옵션이 되는 데 장애 요인으로 작용합니다. 그린 에너지가 대규모로 실현될 때까지 그 격차를 메꾸는 데 도움이 될 수 있는 다른 형태의 확장 가능한 이산화탄소 미방출 에너지원은 무엇일까요? 탄소를 배출하지 않는 원자력의 효율성과 확장성이 입증된다면 미래를 위한 새로운 에너지 대안으로서 폭넓게 이용될 수 있을까요?
약 450개의 원자력 발전소는 무공해 청사진뿐만 아니라 오늘날 화력 발전소 50%, 태양열 발전소 25% 대비 90%가 넘는 시간 동안 최대 운영 효율을 나타내고 있습니다. 그러나 현재 원자력 발전소는 전세계 총 전기 수요의 10%만 공급하고 있습니다(그림 1). 오랜 시간 원자력이 더 빠른 속도로 성장하지 못한 이유는 무엇일까요?
원자력은 그 효율성과 경제적 가치가 입증되기는 했지만 방사능 관련 위험과 환경에 미치는 영향으로 인한 논란은 계속되고 있습니다. 체르노빌과 후쿠시마 사건은 원자 분열 기술을 활용하기 위해서는 완벽한 관리와 경계가 필요하며 작은 사건이 큰 재앙을 불러일으킬 수 있다는 사실을 상기시켰습니다.
핵 반응과 방사능
18,000개가 넘는 원자로를 구축하면서 쌓은 경험을 바탕으로 원자로 기술은 다양하면서도 확고하게 정립되었으며 오랜 세월을 거친 기술 발전으로 원자로의 안전성, 신뢰성, 내구성, 효율성이 모두 개선되었습니다.
원자력 발전소는 전기 생산을 위해 다양한 우라늄 동위 원소, 그중에서도 238U와 235U를 연료로 사용합니다.대부분의 민간 원자력 발전소는 저농축 우라늄(LEU)(3~5% 농도의 235U 우라늄)을 사용하는 반면 무기급 용도에는 고농축 우라늄(HEU, 농도가 90% 미만인 235U)이 필요합니다.
235U와 238U는 원자로에서 LEU 연료로서 그림 3과 같은 두 가지 다른 원자 변환 단계를 따릅니다.중성자 포획 과정에서, 또한 핵분열성 239Pu로 변화되는 238U의 경우, 239Pu와 235U 모두 더 작은 핵, 즉 핵분열성 생성물로 분열됩니다. 각각의 분열 반응은 또한 3개의 핵과 많은 양의 에너지를 열 및 전리 방사선의 형태로 발생시킵니다.
이러한 원자 변환 또는 감쇠는 축복이자 저주입니다. 축복은 적은 양의 연료로 엄청난 양의 에너지를 만들 수 있다는 것입니다. 열교환기와 고압 수력 터빈을 통해 추출된 에너지로 전기를 만드는 원리입니다. 원자 감쇠와 관련된 변환으로 전리 방사선과 입자, 즉 방사능이 생성되기 때문에 저주라고 표현하는 것입니다. 전력 생산을 위해서는 원자로 내 방사능이 필요하지만 이 방사능이 연료 폐기물("사용후 연료")에 잔존하며 차단 및 통제되지 않은 상태에서는 위험 요인으로 작용할 수 있습니다.
3~5년 동안 원자로 내에서 핵 활성도가 지속된 후 핵분열 동위원소의 연료 농도가 최소 수준 밑으로 내려가면 전기 생산 목적의 연쇄 반응을 유지하게 됩니다. 원자로에서 꺼낸 사용후 연료는 “고준위” 방사성 폐기물(HLW)로 분류됩니다. HLW는 전체 방사선 폐기물 양의 3%에 불과하지만 전체 폐기물 방사능의 95%를 차지합니다. 따라서 HLW는 전세계 방사선 폐기물 관리 전략의 핵심 항목입니다.
1000MWe(1백만 명이 넘는 사람들에게 필요한 전기를 공급하는 데 충분한 수준) 용량의 일반 원자력 발전소는 연간 25~30톤의 HLW를 만들어내지만 탄소 배출량은 0입니다. 화력 발전소는 연간 300,000톤의 재와 6백만 톤의 CO2를 대기 중에 방출합니다. 그러나 사용후 연료의 재가공 및 재사용을 통해 핵 폐기물의 방사선과 그 영향을 줄임으로써 복잡한 유해 폐기물 관리 과제를 해결할 수 있습니다.
사용후 핵 연료 재활용 방법
사용후 핵 연료 재가공 기술은 1940년대 후반부터 존재했습니다. 이 기술은 잘 정의되고 기술적으로도 입증되었지만 실제 이 부분에 투자한 국가는 많지 않았습니다. 프랑스와 러시아는 사용후 연료를 재가공 및 재사용하는 대표적인 국가입니다. 평균적으로 사용후 연료 폐기물의 약 95%가 우라늄(대부분 238U)이고 1%는 플루토늄이며 나머지는 원자 번호가 낮은 작은 악티나이드로 구성되는 다양한 핵분열 생성물입니다(그림 4). 사용후 연료 재가공 기술은 우라늄과 플루토늄 동위원소를 다른 악티나이드 및 핵분열 생성물과 분리합니다.
가장 많이 사용되는 재가공 기술은 PUREX(Plutonium and Uranium Reduction EXtraction)입니다. PUREX는 습식 제련 분리 기술을 사용하여 사용후 연료를 다음 3단계로 분리합니다.
- 우라늄 동위원소
- 플루토늄 동위원소
- 작은 악티나이드로 구성된 핵분율 생성물
작은 악티나이드와 고방사성, 중간 정도 수명의 핵분율 생성물(즉 방사선 반감기가 약 30년인 90Sr 및 137C)이 있기 때문에 세 번째 단계는 HLW로 간주됩니다 PUREX의 주된 이점은 사용 가능한 많은 양의 우라늄을 재활용하며 HLW 양이 크게 감소한다는 것입니다. 재활용하지 않는 우라늄은 폐기물로 간주됩니다.
PUREX는 폐기물 양은 줄여주지만 방사능 문제는 해결하지 못합니다. 또한 다른 악티나이드에서 239Pu를 분리하면 핵무기 확산의 문제가 발생합니다.
HLW 방사능과 플루토늄 확산 위험 문제를 해결하기 위해 전세계적으로 다양한 PUREX 공정이 제안 및 구현되었습니다. 이러한 PUREX 변형은 239Pu와 작은 악티나이드를 혼합하는 데 존재하며 허용되는 재가공 악티나이드 연료 혼합을 만드는 과정에서 무기화되는 것을 방지합니다. 다른 변형은 우라늄, 플루토늄 및 모든 초우라늄원소(원자 번호가 우라늄보다 큰 성분)의 혼합 과정에 존재하며 핵분열 생성물이 폐기물이 됩니다.
원자로에서 사용후 연료봉을 꺼낼 때 우라늄의 90% 이상이 "연소되지 않은 상태"라는 사실을 고려할 때 HLW 재활용은 합리적인 선택입니다. 사용하지 않은 우라늄과 플루토늄을 재활용하면 25~30% 가량 전기를 더 생산할 수 있습니다. 2020년 말 기준, 전세계적으로 400,000톤의 사용후 연료가 민간 원자력 발전소에서 생성되었으며 그 중 약 120,000톤(30%)이 재가공을 거쳐 핵연료로 재사용되었습니다.
원자로 설계 기술의 발전
최근의 원자로 설계 기술 발달로 에너지 생산 효율성과 안전성이 향상되었습니다. CAS Content Collection™에 따르면 2018년 이후 특허 및 학술 활동이 크게 증가했으며 이는 주로 아시아 지역 학술 단체의 새로운 관심을 나타냅니다(그림 5a 및 5b).
그림 6은 최신 원자로 설계와 관련된 간행물 수 현황을 보여줍니다. 이 데이터를 통해 새로운 원자로 기술과 관련된 연구 활동의 증가 추세를 알 수 있습니다.
원자력의 미래와 그 가능성
원자력 르네상스는 오래된 주제이지만 원자력이 수십년 전 제시한 희망과 약속을 이행하기에는 여러 가지 장애물과 과제가 아직까지 존재합니다. 많은 초기 투자 자본, 규제 변화, 과도한 비용 지출, 정치적 양극화는 원자로 설비 확대를 길고 복잡한 여정으로 만드는 요인입니다. 이는 그 이점과 가능성이 명백하게 입증된 지금에도 정부와 투자자가 원자력을 고려하는 데 중대한 제약 요인으로 작용하고 있습니다. 최근 한 Wall Street Journal 기사에서도 이러한 과제와 함께 원자력 기술 분야의 최근 발전 동향을 다루고 있습니다.
탄소를 배출하지 않는 에너지에 대한 요구, 새로운 원자로 기술의 발전, 새로운 사용후 재활용 및 재사용 대안은 지구 기후 변화 과제를 해결하기 위한 중요 도구로서의 원자력 활용을 촉진할 수 있습니다.
과학 자문: Elaine McWhirter.
원자력 애니메이션 참조문헌
IAE, World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022(2023-01-09 기준)
세계 원자력 협회(World Nuclear Association). https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx(2022-09-09 기준)
NEK. https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy (2022-09-09 기준)
세계 원자력 협회(World Nuclear Association). https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx(2022-09-09 기준) IAE,
World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022(2023-01-09 기준)
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