원자력은 어떻게 에너지를 만들까?

당신은 원자력에 대해 논쟁해본 적이 있나요?
우리는 해본적 있습니다. 불만스럽고 혼란스러운 논쟁이었죠. 그럼 다같이 이 주제를 이해해 봅시다. 이 모든 것은 1940년대에 시작되었습니다. 원자력은 전쟁에서 핵폭탄을 통해 충격과 공포를 가져다 주었지만 그 후 인류는 평화롭게 원자력이라는 신기술을 이용할 방법을 찾아내고 세상을 나은 방향으로 이끌어 갈 것이라고 믿고 모두들 긍정적으로 상상력을 발휘했습니다.

원자력은 전기를 공짜로 공급할 수 있을까요?
과연 핵에너지가 인류의 남극생활을 도와줄 수 있을까요?
정말 원자력 자동차, 비행기, 집이 생길까요?

이런 것들은 당시에는 몇 년만 노력하면 가능할 것 처럼 보였습니다. 하지만 지금에 와서 한가지 확실한 것은 "원자력이 미래다" 라는 문구는 앞으로 몇 년만 지나면, 일종의 원자력 세대가 겪었던 숙취 같게 느껴질 겁니다. 나중에야 알게 되었지만, 원자력은 매우 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 물리학의 원리를 공학에 적용하는 것은 논문에서는 쉽지만, 현실에서는 매우 어렵습니다

마찬가지로, 사기업들이 원자력에 투자하는 것은 매우 큰 부담이며 대부분 차라리 가스, 석탄, 석유에 투자할 것입니다. 하지만 많은 사람들이 원자력시대의 약속을 그냥 저버리지 못했습니다. 값싼 전기를 제공하는 새로운 기술, 석유와 가스 수입으로부터 자유로워 질 것이라는 전망, 그리고 몇몇 경우에서 핵무기를 소유하고픈 숨겨진 열망이 원자력 에너지를 계속 이용하고자 하는 동기부여로 작용했습니다.

그러다가 원자력이 미래의 에너지로 가장 각광을 받았던 때는 1970년대 중동에서 발생한 전쟁으로 전세계적으로 석유가격이 폭등하는 사건이 일어난 때입니다. 그 당시 원자력은 상업적인 관심과 투자의 대상이 되었고 눈부신 속도로 발전합니다.

전세계의 절반 이상의 핵반응로가 1970년에서 1985년 사이에 건설되었습니다. 하지만 이론적으로 제시된 원자로의 종류는 매우 많았습니다. 따라서 어떤 종류의 원자로를 선택할지 고민이 많이 되었죠. 놀랍게도 이론 단계에서는 주목받지 못했던 원자로 후보가 현실에서는 승리하게 됩니다.

 

바로 경수로 (輕水爐, Light Water Reactor) 입니다. 경수로의 개념 자체는 혁신적이지 않습니다. 그래서인지 과학자들에게 별로 인기가 없었죠 하지만 결정적인 장점이 있었습니다. 경수로는 1) 그 당시에 설계안이 존재했고, 2) 실제로 작동했으며, 3) 아주 비싸지 않았다는 점이죠.

그렇다면 경수로는 어떻게 작동할까요? 기본 원리는 놀랄만큼 간단합니다. 원자로는 통제된 핵분열 연쇄반응을 일으켜서 물(경수)를 끓이게 됩니다. 핵분열 반응은 화학반응보다 몇백만배나 더 큰 에너지를 발생시킵니다. 우라늄 235 같이 불안정하고 무거운 원소들에게 (자연계의 우라늄은 안정적인 238이 대부분) 중성자를 충돌시키면 중성자는 우라늄235에 흡수되지만, 곧바로 불안정해집니다.

대부분의 경우에 중성자를 흡수한 우라늄 235는 더 가벼운 원소들로 핵분열을 일으키면서 동시에 몇개의 중성자와 방사선 에너지를 발생시킵니다. 방사선 에너지는 주위의 물에 흡수되어 물을 가열시키고, 발생한 중성자들은 다른 우라늄 235에 흡수되어 다시 핵분열을 일으키는 엄격하게 통제된 연쇄반응을 일으킵니다. 원자로 내에서의 통제된 핵분열 연쇄반응은 핵무기에 사용되는 통제없는 파괴적인 연쇄반응과는 매우 다릅니다.

우리의 경수로에는, 중성자를 통제 (그럼으로써 핵분열을 통제) 하기 위한 감속재(moderator) 가 필요합니다. 감속재에 단순하고 흔한 물(경수)를 사용하는 것은 어차피 발전을 위한 터빈도 물(증기)로 작동시켜야 하므로 매우 실용적이라고볼 수 있습니다. ( 그런데 1차 2차 열교환은 애초에 분리되어 있으므로 딱히 그것 때문만은 아님) 경수로는 단순하고 저렴하기 때문에 많은 원전에서 도입했습니다.

하지만 경수로는 가장 안전한 것도, 가장 효율적인 것도, 가장 기술적으로 뛰어난 것도 아닙니다. 오일쇼크로 발생한 원자력 붐은 다음의 사고 때문에 10년정도밖에 지속되지 못합니다. 1979년 펜실베니아 쓰리-마일-아일런드의 원자로에서 사고가 발생합니다. (TMI accident) 노심이 녹아버리는 일까지 일어났지만 겨우 참상을 면합니다. (서방측 안전기준인 5차 방호벽에서 4차까지 파괴됨) 1986 체르노빌에서는 핵물질이 중유럽에 대량으로 유출되는 사고가 발생합니다. (여기는 핵무기 관련 실험용 흑연감속로. 애초에 경수로도 아니며 당연히 방호벽 그런거 없으므로 사고는 곧 핵물질 유출)

2011년에는 후쿠시마 사고로 다시 논쟁에 불이 붙었습니다. (최신 IAEA 보고서 참고 바람) 1980년대에는 218개의 새로운 원자로가 작동을 시작했습니다. 그리고 80년대 이후로 원자로의 숫자와 세계전력공급 비율은 일정하게 유지됩니다.

현재 상황은 어떨까요? 현재는 원자력 에너지는 세계 에너지 수요의 10% 정도를 감당합니다. 대략 31개국에서 439개의 원자로를 운영 중입니다. 2015년 현재 약 70개의 새로운 원자로가 건설중이고 대부분 급속하게 개발중인 국가에 집중되어 있습니다. 다 합해서 116개의 새로운 원자로가 건설 계획 중입니다. 대부분의 원자로는 25년 이상 오래되었고, 그만큼 오래된 기술로 건설되었습니다. 80% 이상이 경수로를 기반으로 설계되었습니다.

지금은 많은 국가들이 어떤 선택을 해야 할 시점이 되었습니다. 오래된 원자로를 비싼 돈을 들여 더 효율적이지만 (경수로에 비해) 입증이 덜 된 신형 원자로로 교체할 것인지 아니면 원자력을 포기하고 다른 대체 에너지를 사용할 것인지를 고민합니다.

 

대체 에너지는 새로운 것도 오래된 것도 있으며, 각각은 비용구조도 다르며, 환경에 영향을 미치는 정도도 다릅니다. 우리는 원자력 에너지를 계속 사용해야 할까요?