친환경 에너지는 전 세계 에너지 구성에서 가장 빠르게 성장하는 분야로서 그 비중이 계속 커지고 있지만, 효율성과 용량 문제로 인해 기존의 고탄소 에너지원을 크게 앞서지 못하고 있습니다. 이러한 한계로 인해 친환경 에너지는 주류 에너지원으로 자리 잡지 못하고 있습니다. 친환경 에너지가 대규모로 실현되기 전까지 그 간극을 메울 수 있는 또 다른 확장 가능한 비탄소 배출 에너지원은 무엇일까요? 원자력 에너지의 탄소 배출 제로 특성과 검증된 효율성 및 확장성은 원자력을 에너지 전환의 후보이자 미래를 위한 또 다른 실행 가능하고 널리 수용되는 에너지원으로 만들 수 있을까요?2 배출 에너지원은 무엇일까요? 원자력 에너지의 탄소 배출 제로 특성과 검증된 효율성 및 확장성은 원자력을 에너지 전환의 후보이자 미래를 위한 또 다른 실행 가능하고 널리 수용되는 에너지원으로 만들 수 있을까요?
오늘날 가동 중인 약 450개의 원자력 발전소는 탄소 배출이 없을 뿐만 아니라, 석탄 발전소의 50% 및 태양광 발전소의 25% 가동률과 비교하여 90% 이상의 최대 용량으로 운영됩니다. 하지만 전 세계 총 전력 수요의 10%만이 원자력 발전소에서 공급되고 있습니다(그림 1). 왜 원자력 에너지는 지난 수년간 더 빠르게 성장하지 못했을까요?
원자력 에너지는 검증된 경제적인 에너지 생산 방식임에도 불구하고, 방사능과 환경에 미치는 영향에 대한 위험성 때문에 논란의 대상이 되고 있습니다. 체르노빌과 후쿠시마 사고는 원자핵 분열에 완벽한 통제와 경계가 필요하며, 작은 사고가 대재앙으로 이어질 수 있음을 상기시켜 주었습니다.
핵반응과 방사능
18,000년 이상의 원자로 운영 경험을 바탕으로원자로 기술은 확고히 자리 잡았으며 다변화되었습니다. 또한 수십 년간의 기술적 개선을 통해 원자로는 더욱 안전하고 신뢰할 수 있으며 내구성이 뛰어나고 효율적으로 발전했습니다.
원자력 발전소는 전기를 생산하기 위해 주로 238U와 235U 우라늄 동위원소 혼합물을 연료로 사용합니다. 대부분의 상업용 원자력 발전소는 저농축 우라늄(LEU) 연료를 사용하는데, 이는 무기급에 필요한 ~90% 농도의 고농축 우라늄(HEU)과 달리 235U 농도가 3~5%인 우라늄을 의미합니다.235U 농도가 ~90%인 고농축 우라늄(HEU)과는 대조적입니다.
저농축 우라늄(LEU) 연료가 원자로에 투입되면, 235U와 238U는 그림 3과 같이 두 가지 다른 원자 변환 경로를 거칩니다. 중성자 포획을 통해, 그리고 238U의 경우 핵분열성 239Pu로 변환되면서, 239Pu와 235U 모두 더 작은 핵인 핵분열 생성물로 분열됩니다. 각 핵분열 반응은 또한 3개의 중성자와 열 및 전리 방사선 형태의 상당한 에너지를 방출합니다.
이러한 원자 변환 또는 붕괴는 축복이자 저주입니다. 적은 양의 연료로 엄청난 양의 에너지를 생산하여 열교환기와 고압 수증기 터빈을 통해 전기를 생산할 수 있다는 점에서는 축복입니다. 반면, 변환과 관련된 원자 붕괴는 전리 방사선과 입자, 즉 방사능을 생성한다는 점에서는 저주입니다. 전력 생산을 위한 원자로 내의 방사능은 의도된 것이지만, 이 방사능은 '사용 후 핵연료'라고 불리는 연료 폐기물 내에 잔류하며, 적절히 격리 및 통제되지 않으면 유해할 수 있습니다.
원자로에서 3~5년간 지속적인 핵 활동이 이루어지면, 연료 내 핵분열성 동위원소 농도는 결국 전력 생산을 위한 연쇄 반응을 유지할 수 있는 최소 수준 이하로 떨어집니다. 이렇게 배출된 사용 후 핵연료는 '고준위 방사성 폐기물(HLW)'로 분류됩니다. 고준위 방사성 폐기물은 전체 방사성 폐기물 부피의 3%에 불과하지만, 전체 방사능의 95%를 차지합니다. 따라서 고준위 방사성 폐기물은 전 세계 방사성 폐기물 관리 전략의 핵심 과제입니다.
1000 MWe 용량(100만 명 이상의 전력 수요를 충족할 수 있는 규모)의 일반적인 원자력 발전소는 연간 25~30톤의 고준위 방사성 폐기물을 생산하며 탄소 배출량은 제로입니다.반면 석탄 화력 발전소는 매년 30만 톤의 재와 600만 톤 이상의 CO2를 대기로 배출합니다.그러나 사용 후 핵연료의 재처리 및 재사용을 통해 원자력 폐기물의 부피와 방사능 강도를 줄이는 것은 복잡한 유해 폐기물 관리 문제를 해결하는 방안이 될 것입니다.
원자력 사용 후 핵연료 재활용 옵션
사용후핵연료 재처리 기술은 1940년대 후반부터 존재해 왔습니다. 이 기술은 충분히 이해되고 기술적으로 입증되었으나, 재처리에 투자한 국가는 소수에 불과합니다. 프랑스와 러시아는 사용후핵연료를 재처리하고 재사용하는 대표적인 두 국가입니다. 평균적으로 사용후핵연료 폐기물의 약 95%는 우라늄(대부분은 238U)이며, 1%는 플루토늄, 나머지는 원자 번호가 낮은 다양한 핵분열 생성물과 마이너 악티나이드로 구성됩니다(그림 4). 사용후핵연료 재처리 기술을 통해 우라늄 및 플루토늄 동위원소를 다른 악티나이드 및 핵분열 생성물로부터 분리할 수 있습니다.
가장 대표적인 재처리 방식은 PUREX(플루토늄 및 우라늄 환원 추출)입니다. PUREX는 습식 화학 분리 기술을 사용하여 사용후핵연료를 다음 세 가지 단계로 분리합니다:
- 우라늄 동위원소
- 플루토늄 동위원소
- 마이너 악티나이드를 포함한 핵분열 생성물
이 세 번째 단계의 물질은 마이너 악티나이드와 방사능이 강하고 반감기가 중간 정도인 핵분열 생성물(예: 방사성 반감기가 약 30년인 90Sr 및 137Cs)이 존재하기 때문에 고준위 방사성 폐기물(HLW)로 간주됩니다. PUREX의 주요 장점은 폐기물로 처리될 수 있는 다량의 유용한 우라늄을 재활용하고 고준위 방사성 폐기물의 부피를 크게 줄일 수 있다는 점입니다.
PUREX는 폐기물 부피를 줄여주지만, 방사능 문제까지 해결하지는 못합니다. 또한, 다른 악티나이드로부터 239Pu을 분리하는 과정에서 핵무기 확산 우려가 발생합니다.
고준위 방사성 폐기물의 방사능 문제와 플루토늄 확산 위험을 해결하기 위해 전 세계적으로 다양한 PUREX 공정 변형이 제안되고 구현되었습니다. 이러한 PUREX 변형 기술은 239Pu을 마이너 악티나이드와 혼합하여 무기화할 수 없도록 만드는 동시에 재처리된 악티나이드 연료 혼합물을 생성하는 방식을 포함합니다. 다른 변형 기술로는 우라늄, 플루토늄 및 모든 초우라늄 원소(우라늄보다 원자 번호가 높은 원소)를 함께 혼합하여 핵분열 생성물만을 폐기물로 남기는 방식이 있습니다.
사용후핵연료봉이 원자로에서 인출될 때 우라늄의 90% 이상이 "미연소" 상태라는 점을 고려하면 고준위 방사성 폐기물 재활용은 타당한 선택입니다. 미사용 우라늄과 플루토늄을 재활용하면 전력을 약 25~30% 더 생산할 수 있습니다. 2020년 말 기준으로 전 세계 상업용 원자력 발전소에서 발생한 사용후핵연료는 40만 톤에 달하며, 이 중 약 12만 톤(30%)이 재처리되어 핵연료로 재사용되었습니다.
원자로 설계의 발전
최근 원자로 설계의 발전으로 에너지 생산의 효율성과 안전성이 향상되었습니다. CAS Content Collection™에 따르면 2018년 이후 특허 및 저널 활동이 크게 증가했으며, 이는 주로 아시아 지역 기관들이 주도하는 새로운 관심을 나타냅니다(그림 5a 및 5b).
그림 6은 차세대 첨단 원자로 설계와 관련된 논문 발표량을 보여줍니다. 이 데이터는 이러한 새로운 원자로 기술에 대한 연구 활동이 증가하고 있음을 확인시켜 줍니다.
원자력 에너지의 미래 잠재력
원자력 에너지의 르네상스는 오랫동안 지속된 주제였으나, 수십 년 전 기대했던 희망과 약속을 실현하기에는 여전히 여러 장애물과 도전 과제가 남아 있습니다. 막대한 초기 자본, 변화하는 규제, 비용 초과, 정치적 양극화로 인해 원자력 발전소 건설은 10년이 걸리는 고통스러운 과정이 되었습니다. 이는 원자력 에너지의 장점과 잠재력이 입증되었음에도 불구하고 정부와 투자자들이 원자력을 고려하는 데 심각한 걸림돌이 되어 왔습니다. 최근 월스트리트 저널 기사에서도 이러한 도전 과제와 원자력 에너지 기술 분야의 최근 발전 상황을 다루고 있습니다.
탄소 중립 에너지원에 대한 필요성, 새로운 원자로 기술의 발전, 그리고 새로운 사용후핵연료 재활용 및 재사용 대안은 원자력 에너지를 전 세계적인 기후 변화 문제에 대응하기 위한 핵심 도구로 부상시킬 수 있습니다.
과학적 자문을 제공해 준 Elaine McWhirter에게 감사를 표합니다.
원자력 애니메이션 참고 문헌
IAE, 세계 에너지 전망(World Energy Outlook). https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (2023년 1월 9일 접속)
세계원자력협회(World Nuclear Association). https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx (2022년 9월 9일 접속)
NEK. https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy (2022년 9월 9일 접속)
세계원자력협회(World Nuclear Association). https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx (2022년 9월 9일 접속) IAE,
세계 에너지 전망(World Energy Outlook). https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (2023년 1월 9일 접속)
