원전(원자력발전소) 이야기 2 - 원자력 에너지의 응용 분야.

원자력은 석탄, 석유, 태양, 풍력 등 다른 에너지원에 비하여 엄청난 효율을 나타낸디.

 

최근 현대건설의20조 원 불가리아 원전설계 계약 (미국 웨스팅하우스와 컨소시엄), 내년 3월에 본 계약이 예상되는 한국수력원자력의 체코원전 (웨스팅하우스 이의 신청 중),빅테크기업 AWS, 마이크로소프트 등의SMR(소형모듈식 원자로)투자, 우리나라와 주요 선진국, 두산에너빌리티, 현대건설, 현대엔지니어링등이 많은 투자를 하고 있는 원자력 - 원자력 발전에 대하여 알아보자.

원자력 에너지의 이용

원자력(原子力, Nuclear Energy)은 원자핵의 반응을 이용하여 만드는 에너지로, 제3의 불이라는 별명으로도 불린다. 법률에서는 "원자핵 변화의 과정에 있어서 원자핵으로부터 방출되는 모든 종류의 에너지"라고 정의하고 있다.

원자핵

 

원자력의 가장 큰 장점은 적은 연료 소모로 막대한 양의 에너지를 얻을 수 있다는 것이다. 원자력(핵분열)은 현재까지 인류가 보유한 에너지원 중에서 출력이 다른 자원들과 차원을 달리 한다 말할 수 있을 만큼 높은 에너지원이다. 우라늄 1g이 핵분열로 내뿜는 에너지가 석유 2,000리터 또는 석탄 3톤의 에너지와 필적할 정도이며, 환경오염이 적은 편이고 효율적이다.

1945년 일본에 원자폭탄은 제2차 세계대전을 종결시켰지만 수십만 명의 민간인 피해자를 만들었다. 당시 미국의 맨해튼 프로젝트에 참가했던 과학자들은 1945년 알라모고도에서 실험한 원자폭탄의 위력을 실감하고, 실라르드 레오 등 70명이 넘는 과학자들이 핵무기 사용에 반대하는 탄원서를 트루먼 대통령에게 제출한 바 있었다. 하지만 탄원서는 대통령에게 전달조차 되지 않았고, 서둘러 전쟁을 끝내기 위해 원자폭탄이 일본에 투하되었다.

전쟁 후에는 구소련, 영국, 프랑스, 중국, 인도, 파키스탄, 이스라엘 등이 경쟁적으로 핵무기 개발에 뛰어들어 성공을 거둔다. 이러한 핵무기 개발 경쟁은 1953년 미국의 아이젠하워 대통령이 UN총회에서 ‘평화를 위한 원자력(Atoms for Peace)’을 제안하면서 전환기를 맞게 된다. 이 연설을 계기로 국제연합은 1957년 국제원자력기구(IAEA)라는 독립기구를 설치하고, 원자력의 평화적 이용을 위한 시대를 맞게 되었다.

국제원자력기구

원자력 에너지의 응용분야

원자력이 처음 규명된 이후 핵무기, 원자력 발전소, 가속기(과학적 연구), 산업(비파괴 검사), 선박/잠수함의 추진, 지역난방, 담수시설, 수소생산, 의료용 기기 (X-Ray 촬영기) 등 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 그중에서도 가장 널리 이용되고 있는 분야가 발전이다.

핵무기(원자폭탄)

1945년 8월 6일 '에놀라 게이'로 명명된 B-29 4발 중폭격기가 최초의 핵폭탄인 우라늄-235 폭탄 리틀 보이를 일본의 산업도시인 히로시마시에 투하 20만 명사상, 가옥6만 호 파괴. 12 k㎡가 폭풍과 화재에 의하여 궤멸적인 피해를 입었고, 1945년 8월 9일 미국이 플루토늄-239 폭탄 팻 맨(Fat Man)을 나가사키시에 투하 14만 명만명 사망케 한 엄청난 위력을 가진 폭탄이다.

1945년 8월 15일 핵무기 투하 전·후의 나가사키시

 

핵무기(Nuclear Weapon)는 핵분열에서 발생하는 방대한 에너지를 이용하여 살상 또는 파괴하는 무기의 총칭이다. 가장 작은 핵무기도 재래식 폭탄에 비해 월등한 폭발력을 가지며, 가장 큰 것은 도시 하나를 통째로 사라지게 할 수도 있다. 나치독일이 그들의 과학력으로 먼저 만들기 시작했지만 연합국의 스파이 때문에 중수가 부족해져 만들 수 없게 되었다.핵무기가 실제로 전쟁에 사용된 것은 두 번뿐으로,미국이 제2차 세계 대전 말기인 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 떨어뜨린 우라늄 폭탄인 리틀 보이와 1945년 8월 9일에 나가사키에 떨어뜨린 플루토늄 폭탄인 팻 맨이다.  

핵무기의 위력은 일반적으로 'TNT 수백톤의 위력을 가졌다' 라든가, 'TNT 100만톤 이상의 폭발력을 가졌다' 등 같은 규모의 폭발을 일으킬 수 있는 TNT 폭탄의 무게로 나타낸다.  

핵분열을 이용한 핵무기

가장 대표적인 핵무기는 핵분열을 이용한 것이다. 이 경우에 핵분열 물질로는 보통 우라늄과 플루토늄이 사용된다. 우라늄-235나 플루토늄-239 등이 쉽게 핵분열을 일으키고, 이들을 임계 질량 이상으로 모으면 연쇄 반응이 폭발적으로 일어나는 것을 이용한 것이다. 이를 원자 폭탄이라고 한다. 

핵융합을 이용한 수소폭탄

보다 큰 에너지를 얻기 위해서는 핵융합 반응을 이용한다. 핵분열 폭탄을 이용하여 중수소나 삼중수소, 리튬 등을 순간적으로 가열/압축하여 핵융합 반응을 일으킨다. 이 원리를 이용한 수소 폭탄은 원자 폭탄의 수 백배 이상의 파괴력을 지닌다. 수소폭탄은 베릴륨을 밖에 배치, 그 안은 스티로폼으로 한다. 일부공간을 남기는데 일부는 핵분열 폭탄의 적재, 일부는 삼중 수소 등을 넣는 데 사용한다. 삼중수소 등은 폴루토늄 통안에 갇힌다. 내부에는 폴루토늄 기둥이 있다.

핵무기 보유국

핵 확산 금지 조약(NPT)에서 인정하는 핵무기 보유국은 미국, 영국, 러시아, 프랑스, 중국 5개국이다. 그러나 인도와 파키스탄은 1974년과 1998년 각각 핵실험을 하였고, 이스라엘은 비록 핵실험은 실시하지 않았으나 핵무기 보유국으로서 사실상 인식되고 있다. 남아프리카 공화국과 우크라이나, 카자흐스탄, 벨라루스는 한때 핵무기를 보유하고 있었지만 이후 폐기하였다. 2006년 4월 11일 이란이 자국을 핵 클럽 국가로 선언하였으며, 2006년 10월 9일 북한은 첫 핵무기 실험을 성공적으로 수행했다고 발표하였고, 발표한 지11년 뒤인년 9월 3일 북한의 6차 핵실험으로 약 100KT의 핵실험을 자행했지만 국제 사회는 인정하지 않았다.

원자력 발전소

원자력 발전의 계기

미국이 일본의 히로시마와 나가사키 원폭 투하 이후 소련을 비롯한 여러 나라들이핵무기 개발 경쟁을 하게 되고, 1953년 미국의 아이젠하워 대통령이 UN총회에서 "평화를 위한 원자력(Atoms for Peace)"을 제안하면서 전환기를 맞게 된다. 이 연설을 계기로 국제연합은 1957년 국제원자력기구(IAEA)라는 독립기구를 설치하고, 원자력의 평화적 이용을 위한 시대를 맞게 되었다. 이때까지 정부 주도하에 개발되던 원자력이 민간시장에 개방된다. 미국의 제너럴일렉트릭(General Electric)사와 웨스팅하우스(Westing House) 사가사가 농축우라늄을 자신들이 독점적으로 공급한다는 조건과 낮은 발전 단가를 내세우며 미국형 가압경수로를 세계로 수출하기 시작한다.

원자력 발전의 원리  

원자로 안에 있는 핵연료의 우라늄이 열중성자와의 반응으로 핵분열되면서 열 에너지와 함께 2~3개의 중성자가 추가로 방출된다. 방출된 중성자는 다른 우라늄 원자핵과 또 충돌해서 에너지와 중성자가 방출되고, 이러한 과정이 반복되면서 막대한 열에너지가 발생해 원자로의 냉각재가 가열된다. 

노심과 접촉하는 원자로 냉각재(1차 냉각재)가 약 320℃로 가열되어 증기발생기에 있는 급수(2차 냉각재)에 열을 전달하여 급수를 수증기로 변환시킨다. 이 수증기는 습분분리기에 의해 제거되어 건증기로 만들어진다. 건증기를 이용해 증기 터빈을 돌려서 전기를 생산한다. 원자로에서 발생된 열에너지로 증기를 만들고 이 증기에 의한 운동에너지로 발전기 (Electric generator)에 연결된 증기터빈을 돌려 전기를 만드는 것이다.

에너지 전환이 여러 단계를 통해 이루어지며, 열에너지를 얻는 과정 빼고는 화력 발전과 원리가 똑같다. 화력발전괴의 차이점은 열에너지원이 불이 아니라 원자력이다. 따라서 일반 화력발전소와 같이 열병합발전소로 운영하는 것도 가능하고, 특정 용도에 따라 열 전용 원자로를 개발하기도 한다.

원전 발전사

1942년 12월 2일 엔리코 페르미와 과학자들이 시카고대 운동장 지하에 설치한 "시카고 파일-1"이 인류가 만든 세계 최초의 핵분열 연쇄 반응 원자로이다

미국에서 첫 연구와 논의가 시작되었으며, 1951년 12월 20일, 아이다호 국립연구소의 EBR-1에서 가능성을 타진하였다. 그러나 이전까지는 위험한 군용 기술 취급받았던 원자력은 1953년 12월 8일 아이젠하워 대통령이 UN총회에서 연설한 평화를 위한 원자력 선언 이후 민간부문에서 평화적 이용이 공식화되었으며, 이때를 원자력 발전의 효시로 본다.

 

오브닌스크 원자력 발전소

최초의 전력망 송출은 1954년 6월 27일, 구 소련의 과학도시이자 그 당시 비밀도시였던 오브닌스크 원자력 발전소의 AM-1 (Атом Мирный, 로마자론 Atom Mirny. peaceful atom이란 뜻)이 해냈다. AM-1의 원자로 노형은 RBMK이다. 사실 RBMK도 여러 원자로 노형 중 제일 뛰어나다고 선정받아 만들어진 원자로다. 그러나 오브닌스크는 과학적 목적이 크고 전력도 고작 6MW짜리였다.

 

콜더 홀 원자력 발전소 (Calder Hall) 

세계 최초의 상업적 목적을 달성한 원자력 발전소는 영국의 콜더 홀 원자력 발전소 (Calder Hall)이다.여기서 사용한 노형은 RBMK와 비슷한 우주쓰레기인 마그녹스이다. 그러나 핵연료 재처리 단지 안에 건립되어 플루토늄 생산 목적이라는 것이 뻔히 보이는 원자로를 최초의 상업적 원자력 발전소라 주장하기는 눈 가리고 아웅이라는 주장도 있다.

콜더 홀 원자력 발전소

콜더홀의 디자인은 영국 원자력 공사에서 PIPPA(Pressurised Pile Producing Power and Plutonium, 전기와 플루토늄을 생산하는 가압 원자로)란 코드명을 붙였으며, 이 코드명은 이 원자로가 상업적이면서도 군사적인 목적으로 쓰일 수 있다는 걸 의미하였다. 콜더 홀은 1953년 착공되었다. 콜더홀은 4개의 마그녹스 원자로를 가지고, 각각의 원자로는50 MWe를 생산하였다. 콜더 홀의 원자로는 영국 원자력 공사에서 제작하였으며, 터빈은 C.A. Parsons & Company에서 제작하였다. 전력선이 처음 연결된 건년 8월 27일이나, 엘리자베스 2세가 공식으로 전 세계에 콜더 홀을 준공한 것은 1956년 10월 17일이다. 콜더홀 원자력 발전소는 2003년 3월31일 날 문을 닫았으며, 콜더 홀 원자력 발전소의 1번 원자로는 거의47년 동안 사용되었다.

초기에, 콜더 홀 원자력 발전소는 무기급 플루토늄을 제작하는데 주목적이 있어서 매년 2번씩의 연료교환을 하였으며, 전력 생산은 제2의 목적이었다. 1964년 콜더 홀 원자력 발전소는 일반적인 핵연료 주기를 따르면서 전력 생산에 몰입하게 되지만, 1995년 영국 정부가 핵무기에 쓸 플루토늄을 만들지 않을 때까지 계속 콜더 홀 원자력 발전소에서 플루토늄을 뽑아왔다.  4개의 콜더 홀 원자력 발전소의 냉각탑은 2007년 11월 29일에 조절된 폭발로 제거하였다.

 

쉬핑보트 원자력발전소(Shippingport Nuclear Power Plant)

1957년 미국이 세운 진정한 민간용 상업 원자력 발전소의 신호탄 격인 발전소로 피츠버그40km 바깥에 위치하고 있었으며60 MWe짜리 가압경수형 원자로 1기를 갖고 시작한 쉬핑보트 원자력발전소(Shippingport Nuclear Power Plant)이다. 

쉬핑보트 원자로

 

이 원자로는 해군의 핵잠수함용 원자로에 뿌리를 두고 있다. 1953년 아이젠하워 대통령이 핵의 평화적 사용을 통한 공동번영에 미국이 공헌할 것을 약속한다. 그러나 이 당시 실제 미국의 핵기술은 거의 핵무기 제조에 맞춰져 있었기 때문에 그런 일을 할 원자로가 없었다. 이에 가장 근사치에 있던 원자로가 해군 잠수함용 동력 원자로였고, 이를 육상발전소로 바꾼 버전을 급히 건설하게 된 것이다. 물론 세계최초의 상업 원자력 발전소는 콜더 홀이지만, 진정한 평화를 위한 원자력을 실현한 최초의 원자력 발전소라고 볼 수 있다. 원자로 설계는 웨스팅하우스가 하였다. 현재 사용되는 원자로 열출력을 보자면 꼬꼬마 같은 존재(1000MWe vs 60 MWe)이기도이기도 하다. 그러다 1977년 증식로로 원자로를 변경하게 된다. 그후 1982년 쉬핑포트 원자력 발전소의 운전면허가 정지되었으며, 1985년까지 9천8백만 달러(2011년 가치로 2억4백만 달러)를 들여서 그 자리를 싹 청소하였다. 현재 이 장소는 아무것도 안 짓고 있지만, 바로 옆엔 비버 벨리 원자력 발전소가 위치해 있다.

1957년에는 미국이 원자력잠수함에 적용하던 원자력발전 기술을 개량해 가압경수로 방식의 시핑포트 원자력발전소를 건설해 상업 발전을 시작하였다. 이 시기에 지어진 원자력발전소를 1세대 발전소라고 한다.

 

2세대 원전

원자력의 평화적 이용이 확대되고 상업용 발전이 상용화하면서 원자력발전에 대한 경제성과 안전성에 대한 요구가 점차 높아졌고, 1970년대부터 비등경수로, 가압중수로 방식 등의 2세대 발전소가 등장한다.

 

우리나라는 1964년부터 원전 부지 선정 업무를 착수하여 고리를 첫 원전 건설지로 최종 선정하였고, 미국의 웨스팅하우스사로부터 가압경수로를 도입하여 1978년 고리 1호기가 최초로 상업운전 (580MW)을 시작하였다.

고리원전

 

3세대 원전

1990년대에 들어서면서 경제성과 안전성을 더욱 향상한 3세대 원자력발전소가 등장하였다.  우리나라는 고리원전을 개량하여 2011년부터 가동하기 시작한 OPR-1000(한국표준원전, KSNP(Korea Standard Nuclear Power Plant))도 3세대 발전소에 해당한다.

 

SMR 및 4세대 원전

현재 3세대+ 발전소가 개발되어 있으며, 세계 각국은 지속성, 안전성, 경제성, 핵비확산성을 획기적으로 발전시킨 SMR (소형모듈원전)을 포함한 4세대 발전소(미래의 소듐 냉각 고속로)로 발전해 나가고 있다. 

전 세계 원전운영 현황

2020년 현재 세계에는 총 445개의 가동 중인 상업발전 원자로가 있고 가동률은 70% 전후 가량이다. 2019년 1년간 2657 TWh의 전력을 생산했다. 이는 원자로1 기당 평균적으로 연간 약 6 TWh, 일간 16.4 GWh, 시간당 681 MWh를 생산한 셈이다. 에너지로 환산 시 연간 21,500 GJ, 일간 59 GJ에 해당한다. 평균적으로 원자로 1기가 미국기준(가구당 평균전력소모량 연간 11.7 MWh) 약 50만 가구, 세계기준(가구당 연간 3.5 MWh)으로는 170만 가구에 전력을 공급할 수 있다. 한국기준(가구당 연간 4.2 MWh)으로는 140만 가구이다. 

우리나라 원전 운영현황

2023년 기준 전력거래량의 31.4%가 원자력 발전이다. 현재 가동되는 원자력 발전기의 총 생산 전력은 17만568 GWh에 달한다. 우리나라원전은 총 24기 이이 이중 18기가 경상도에 소재하며, 나머지 6기는 전라도에 위치한다. 강원도에는 삼척시에 추가 원전 건립계획이 있었으나 2021년 기준 추가건립 논의가 오랫동안 중단된 상태고 수도권, 충청도에는 원전이 없다. 원자력 발전소가 기피시설이라서 소재 지역 주민들이 지역 이미지 훼손을 우려하기 때문에, 2022년 현재 대한민국의 원자력 발전소는 현존하는 시군명을 이름에 쓰지 않고 있다. 다만 고리와 월성 원자력 발전소는 이름을 바꾸지 않고 있다.

원자력 발전소 에너지 단가는 50~60원/kWh이다. 참고로 현재 태양광은 250~300원/kWh, 석탄은 200~250원/kWh이다.

원자력 잠수함(nuclear submarine)과 항공모함

원자력 잠수함이란 원자력에너지(핵분열)를 동력원으로 사용해 움직이도록 개발된 잠수함이다. 미국 해군에서 최초로 개발에 성공했으며, 원자력에너지의 이용 범위에 따라 동력장치에만 사용하는 대함공격용 원자력잠수함과 핵무기를 탑재하고 적의 깊숙한 영토나 시설을 공격하는 전략용 원자력잠수함으로 나뉜다. 

원자력 잠수함은 원자력 활용의 측면에서 평화적인 목적의 원자력발전소보다 먼저 개발되었다. 기존의 재래식 잠수함은 석탄이나 축전지 등을 동력원으로 사용하므로 잠수시간에 제한이 있었고 느린 속력 문제 등의 제약이 컸다. 이러한 단점을 보완한 원자력 잠수함은 맨해튼 프로젝트에도 참여했던 미국의 해군장교 하이먼 리코버에 의해 개발되었다. 리코버는 나중에 노틸러스호의 원자력엔진을 개량한 쉬핑포트 원자력발전소의 건설에도 참여했다. 

미국은 세계최초의 원자력 항공모함(핵항모)인 엔터프라이즈호도 건조하여 1961년에 실전 배치를 마쳤다. 원자력 항공모함 또한 원자력잠수함과 마찬가지로 동력원으로 원자력에너지를 이용한다. 재래식 항공모함과 달리 연료의 재공급이 필요 없기 때문에, 기존 항공모함처럼 연료를 공급받는 동안 한 방향으로 느리게 움직일 때 나타나는 방어취약성이 없어졌고, 항해능력 또한 크게 향상되었다. 특히 연료를 보관하는 공간이 필요 없어서 더 많은 무기와 비행기를 탑재할 수 있게 되었다.

원자력 항공모함 ( 핵항모 ) 인 엔터프라이즈호

기타 응용분야

원자력이 처음 규명된 이후 핵무기, 잠수함이나 선박추진, 발전, 담수설비 이외에 의학(방사선 치료기), 가속기(과학적 연구), 산업(비파괴 검사) 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.

 

참고자료 : 나무위키, 위키백과, 네이버 지식백과, 두산백과

 

 

원전 (원자력발전소) 이야기 1 - 원자력이란?