[원자력 Q&A 10선] 전력공급·방사능 활용·폐기물·SMR까지

▲원자력발전소 전경.

원자력발전은 문재인 정부 임기 내내 ‘탈(脫)원전’ 논란에 휩싸였다. 국내에서는 신고리 5·6호기 건설 여부 공론화와 건설 재개, 월성 1호기 조기폐쇄와 경제성 조작 논란 등 이번 정권 내내 정쟁의 중심이 됐다. 세계적으로는 지난해부터 탄소중립 트렌드와 에너지 대란 조짐으로 원전의 필요성이 대두되고 있다. 우리 정부도 탈원전이란 용어가 정쟁으로 이어지자 ‘에너지 전환’이라고 프레임을 바꾸고 해외 수출은 적극 지원하는 행보를 보이고 있다.

차기 대선에서도 원전 정책은 뜨거운 화두다. 이재명 후보는 ‘감(減)원전’, 윤석열 후보는 ‘탈원전 폐기’를 외치고 있다. ‘2050 탄소중립 시나리오’에서 대폭 줄어든 원전 비중의 변동 가능성, 탈원전 기조에 따라 건설 여부가 불투명해진 신한울 3·4호기의 운명 등 대선 후 원전 정책에는 큰 변화가 예상된다.

이같은 상황에서 국민들이 원자력과 원자력발전에 대해 가장 궁금해 할 만한 질문들을 모아봤다. 답변은 한국원자력연구원의 공식 발간 도서들을 참고했다.



Q. 우리나라에서 원자력이 꼭 필요하나요?

A. 현재 우리나라에서 원자력에너지는 전기를 싸고 안전하게 공급하는 중요한 에너지원입니다. 우리나라는 95% 이상의 에너지를 해외에서 수입하고 있으며, 이 중 대부분은 석유·가스 등의 화석연료입니다. 화석연료는 산업과 가정에 필요한 전기를 생산하는 등 우리 일상에 꼭 필요한 에너지원이지만, 이용 과정에서 다량의 이산화탄소가 만들어져 지구온난화를 가속시키고 있습니다. 이 같은 환경문제를 예방하기 위해 전 세계는 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원 개발에 박차를 가하고 있습니다. 그중 원자력발전소는 화석연료 대체효과가 가장 큰 에너지원입니다.

현재 우리나라는 2021년 기준으로 총 24개의 원자력발전소를 운영하고 있습니다. 여기서 나오는 전기는 우리나라 전체 전기 생산량의 1/3 정도로 많은 부분을 차지하고 있습니다. 원자력발전소는 우리나라 해안선을 따라 네 군데 지역에 있으며, 쓰리마일섬(미국), 체르노빌(러시아), 후쿠시마(일본) 원전 사고의 사례를 통해 다중의 안전 설비를 갖춤으로써 그 안전성을 자랑하고 있습니다.

또한 2019년 전력통계정보시스템에 따르면 원자력 발전은 1kWh당 58.3원, 신·재생에너지는 98.9원, 석유는 231.2원으로 다른 에너지원보다 단가가 매우 저렴합니다. 이 단가는 원자력 발전에 필요한 모든 직접·간접비용뿐만 아니라 원전 해체 비용 등 사후 처리비용까지 포함된 가격입니다. 나아가 원자력 발전의 원료인 우라늄(U)은 가격 변동이 적고 세계 전역에 고르게 매장되어 있어 안정적인 공급이 가능합니다. 이외에도 원자력은 산업, 의료 분야 등에도 다양하게 활용되고 있어 국가의 에너지 안보와 국민 복지에 꼭 필요합니다.



Q. 원자력 발전의 원리는 무엇인가요?

A. 화력발전소에서는 물을 끓여 만든 증기의 팽창력을 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 원자력발전소 역시 물을 끓여 발생한 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 만든다는 점에서 화력발전소와 동일합니다. 다만 화력 발전은 석유, 가스 또는 석탄 등의 화석연료를 태울 때 나오는 열로 증기를 만들고, 원자력 발전은 우라늄(U) 등의 핵분열 연쇄 반응 과정에서 나오는 열로 증기를 만든다는 점에서 차이가 있습니다. 화력발전소에서 물을 끓이는 것을 ‘보일러’라고 하는데, 원자력발전소에는 ‘원자로’가 화력발전소의 보일러와 같은 역할을 합니다.

원자로 안에는 핵분열을 일으키는 우라늄(U)과 제어봉, 감속재, 냉각재 등이 함께 들어 있습니다. 우라늄(U) 이외의 것들은 핵분열 연쇄 반응을 조절하여 우리가 필요한 만큼의 열을 발생시킵니다. 감속재와 냉각재로는 주로 물을 사용하며, 냉각재를 통해 핵분열로 발생한 열을 증기발생기로 전달합니다. 이때 증기발생기는 냉각재와 서로 열을 주고받을 수 있게 맞닿아 있지만, 냉각재가 절대 들어갈 수 없도록 벽으로 차단되어 있습니다. 비닐 팩에 들어 있는 보약을 뜨겁게 끓는 물에 넣으면 따뜻하게 데워지지만 물과 보약이 섞이지 않는 것과 같은 원리입니다.

이렇게 증기발생기에서 생겨난 고온·고압의 증기는 터빈을 분당 1800회 정도로 회전시키며, 터빈에 연결된 발전기를 통해 전기를 생산합니다. 마지막으로 복수기를 통해 터빈을 돌리고 난 증기를 다시 물로 바꿔줍니다. 여기서 주로 바닷물이나 강물을 이용하여 증기를 식혀 주는데, 증기발생기와 마찬가지로 열만 전달해주기 때문에 증기와 바닷물이 직접 만나지 않습니다


Q. 원자력 발전소 하나당 얼마 만큼의 에너지를 만들어 내나요?

A. 원자력은 적은 양의 우라늄으로 대량의 전기를 생산할 수 있습니다. 우라늄(U) 펠렛(작은 원통 형태로 가공한 것) 1개만으로도 4인 가족이 8개월 동안 사용하는 1600kWh1)의 전기를 생산할 수 있습니다. 이는 석유 45드럼(9,000리터), 석탄 15톤으로 만들 수 있는 에너지입니다. 1400MW급 한국 신형 원자력발전소는 약 2천2백만 개의 펠렛이 핵연료 다발 형태로 장전되며 시간당 3만 3600MWh의 전기를 생산합니다.


Q. 원자력이 위험하진 않나요? 지진 등 자연재해가 발생해도 안전하나요?

A. 원자력은 이용과정에서 방사선과 이를 방출하는 물질(방사성물질)이 발생합니다. 이러한 이유로 사람들은 원자력을 두려워합니다. 하지만 방사선과 방사성물질은 사용 공간(특수 실험실, 원자로 등) 내에만 머물게 되며, 방사능 세기가 자연 상태 이하로 낮아지기 전까지는 절대 공간 밖으로 방출되지 않도록 최상의 안전 설비를 갖추고 원자력을 이용하고 있습니다. 또한 원자력 시설은 항공기 테러와 같이 매우 낮은 확률의 사고상황에서도 안전성을 검증받고 있고, 혹시나 모를 사고의 가능성에도 철저히 대비하고 있습니다.

우리나라 원자력발전소는 규모 6.5 이상의 지진에 견딜 수 있도록 설계되었으며, 현재는 규모 7.0의 지진에도 견딜 수 있도록 안전성을 더욱 향상시켰습니다. 이뿐만 아니라 원자력발전소 내부에 설치된 설비에도 내진 검증을 수행하고, 성능이 입증된 설비만을 원자력발전소에 설치하고 있습니다. 발전소 부지를 선정할 때도 지질과 지진 가능성을 꼼꼼히 따져 결정합니다.

또한 일정 수준의 진동이 감지되면 자동으로 원자력발전소가 정지할 수 있도록 자동정지 장치를 갖추고 있으며, 장기간 전원이 끊길 경우에도 대비하고 있습니다. 이외에도 지진에 대한 안전성을 더욱더 높이기 위해 땅에서 전달되는 지진력을 흡수하는 장치와 같은 최신 기술을 연구·개발하고 있습니다.

이처럼 우리나라 원자력발전소는 한반도에서 일어날 수 있는 지진·태풍·해일·홍수 등의 자연재해에 대한 대비가 잘 되어있고, 어떠한 자연재해가 일어나도 효율적으로 대응할 수 있도록 재난 대응 체계를 구축하고 있습니다


Q. 방사능은 뭔가요? 위험한 가요?

A. 방사선, 방사능, 방사성은 같은 단어처럼 보이지만 모두 의미가 다릅니다. 방사선은 빛과 같은 에너지를 지닌 일종의 보이지 않는 광선을 말하며, 방사능은 방사선을 방출하는 능력, 그리고 방사성은 그 능력을 지닌 것을 의미합니다.


방사선은 물질을 구성하는 원자나 분자의 결합에 영향을 주어 물질 구조나 성질을 바꿀 수 있습니다. 이 성질을 잘 이용하면 기존의 물질 구조를 자세히 분석할 수도 있고, 새로운 물질을 만들 수 있어 농업, 산업, 의료 등 다양한 분야에서 이용하고 있습니다.

하지만 오랜 시간 동안 필요 이상으로 방사선에 노출되거나 한 번에 많은 양의 방사선을 받게 되면 인체의 세포가 영향을 받아서 다치거나 심할 경우 목숨을 잃을 수도 있습니다. 마치 칼은 음식을 요리할 때 매우 유용하게 사용되지만, 이를 잘못 다루면 흉기가 될 수도 있듯이 방사선도 어떻게 관리하고 이용하느냐에 따라 우리에게 이로운 존재가 되기도 하고, 위험한 존재가 되기도 합니다.



Q. 방사선은 어떻게 활용되나요?


A. 방사선을 이용하는 기술은 교육, 산업, 의료 현장에서 다양하게 사용되고 있습니다. 방사선은 물질을 자유롭게 통과할 수 있는 특징이 있습니다. 이 성질을 이용하면 몸속을 직접 보지 않아도 숨겨진 질병을 찾을 수 있고 암세포를 치료할 수도 있어서 의료계에서 방사선을 다양하게 사용하고 있습니다. 이뿐만 아니라 농작물의 품종을 개량하거나 새로운 품종을 만들어 낼 수 있어 방사선 육종 기술에도 활용하고 있습니다. ‘혹시 방사선 육종으로 개발된 품종에 방사선이 남아 있지 않을까?’라고 걱정할 수 있지만, 방사선은 자연의 빛과 같아서 쪼일 때만 식물에 에너지를 주고 사라지므로 안전합니다. 방사선은 또한 비행기의 날개나 교량 등 직접 확인할 수 없는 곳의 내부를 들여다보고 물질의 두께, 밀도, 성분 등을 파악할 수 있어 제지, 제철 등 산업 현장에서 널리 이용되고 있습니다. 이외에도 방사선의 살균 기능을 배연, 폐수 처리 등 환경 분야와 문화재 보존·관리 분야에 사용하고 있습니다.

이와 같은 교육·산업·의료용 방사선은 법에서 정하는 방사선 안전규제에 따라 방사선 안전관리를 담당하는 전문인력이 관리·감독하고 있습니다. 따라서 만일 일반인이 이들 시설을 방문할 경우, 해당 시설의 방사선안전관리자의 통제를 잘 따르시면 됩니다. 일반인은 방사선사고 또는 생활 중에 예기치 못한 물품 등에 의해 방사선에 노출될 수 있습니다. 방사선 피폭 정도에 따라서 건강상의 영향이 다르기 때문에, 만약 생활 중에 예상치 못하게 방사선에 피폭을 받았다고 판단될 경우에는 각 지역에 있는 방사선비상진료 지정기관에 신속히 내방하셔서 안내를 받고, 의사의 지시에 따르실 필요가 있습니다.



Q. 방사성을 가지는 부산물의 처리는 어떻게 진행이 되나요?

A. 원자력 시설에서 나오는 폐기물은 방사능 세기에 따라 두 가지로 나눌 수 있습니다. 방사능이 셀수록 위험하므로 위험도에 따라 나누는 것인데, 이는 사용후핵연료(고준위폐기물)와 중·저준위폐기물입니다. 사용후핵연료란 원자력발전소에서 핵분열 능력이 떨어져 원자로에서 꺼낸 핵연료를 말합니다. 이는 마치 연탄재와 같아 오랫동안 뜨거운 열을 뿜어냅니다. 또한 핵분열로 인해 방사선을 많이 방출합니다. 그렇기 때문에 사용후핵연료는 바로 처분하지 않고, 일정 기간 원자로 옆 물저장조에 보관하면서 열과 방사능을 낮춰줍니다. 물은 열을 식혀 주고 물에 녹아 있는 붕소는 방사선을 방출하는 데 핵심 고리 역할을 하는 중성자를 모두 흡수하기 때문입니다. 그래서 붕소가 녹아 있는 물 밖에서 사용후핵연료가 있는 저장조를 직접 맨눈으로 쳐다봐도 매우 안전합니다. 이후 사용후핵연료는 땅속 500m 깊이에 파묻을 예정입니다. 이는 사용후핵연료가 오랜 기간이 지나야 자연의 방사능 수준으로 되돌아오므로 사람의 손길이 닿지 않는 땅속 깊은 곳에 처분하는 것입니다. 물론 재처리를 통해 우라늄(U), 토륨(Th), 플루토늄(Pu) 등과 같은 핵물질을 재활용할 수 있으며, 이와 관련한 기술을 한국원자력연구원에서 개발 중이지만, 처분의 필요성 자체가 없어지지는 않습니다.

따라서 후대 어떤 순간에 관리가 단절되는 시점이 오더라도 폐기물이 자체적으로 안전하게 유지될 수 있도록 공학적인 설계를 해야 합니다. 설계의 핵심은 다중방벽 개념입니다. 고체 사용후핵연료 자체, 처분용기, 완충재, 암반층 등이 각 방벽 요소들입니다. 땅속에 처분한 사용후핵연료가 생태계로 나오기 위해서는 방사성물질이 지하수에 녹아 각 방벽을 통과해야 하는데, 특히 500m 이상의 암반층을 관통하려면 엄청난 시간이 소요됩니다. 이는 방사성물질이 모두 다 붕괴해 버릴 정도의 긴 시간입니다. 따라서 사용후핵연료의 처분은 각종 이론과 실험을 통해 처분 용기의 재질과 두께, 처분장 깊이 등을 결정하고 설계하기 때문에 안전성이 보장됩니다.

다음으로 원자력을 이용해 여러 가지 작업을 하다 보면 작업복, 세탁수, 실험장치, 휴지 등 방사성물질에 오염된 폐기물이 발생합니다.

하지만 이들은 사용후핵연료만큼 열과 방사능이 강하지 않아 중·저준위폐기물로 구분하고 있습니다. 중·저준위폐기물을 효과적으로 처리하기 위해서는 물질의 상태를 나누어야 합니다. 이 세상 모든 물질은 기체, 액체, 고체로 구분되며 서로 특징이 다르기 때문입니다. 기체는 가볍고 잘 날아가므로 활동성이 가장 좋습니다. 액체 역시 기체보다는 약하지만 잘 흐르므로 활동성이 좋다고 할 수 있습니다. 반면에 고체는 건드리지 않으면 그 자리에서 움직이지 않습니다. 그래서 모든 방사성폐기물은 활동성이 없는 고체로 만들어야 합니다. 기체는 숯의 일종인 차콜로 포집합니다. 옛날에 우리 조상들이 숯으로 물을 정제해 마신 것과 같은 원리입니다. 또, 고성능 기체포집필터를 사용해서 폐기물 속 방사성물질들을 가두어 버립니다. 방사성물질이 빠져나간 기체는 더 이상 폐기물이 아니므로 밖으로 버립니다. 액체는 기체 폐기물처럼 다양한 필터와 이온교환수지를 사용해서 방사성물질을 걸러냅니다. 집에 있는 정수기와 원리가 같습니다. 그리고 증발과 농축을 통해 깨끗해진 액체는 배

수구로 방류하고, 남은 액체 폐기물은 시멘트를 이용해 고체로 만듭니다.

고체는 부피를 감소시키기 위해서 압축합니다. 외국에서는 불에 타는 종류는 산업폐기물처럼 태워서 남는 재를 시멘트에 넣어 고체로 만들기도 하는데, 우리나라는 소각공정을 사용하지 않습니다. 이러한 공정을 거쳐 모든 폐기물이 안정적인 고체 형태로 드럼통에 담겨 경주에 있는 지하 처분장으로 들어갑니다. 이렇게 방사성폐기물을 안전하게 관리하면 사람들은 방사성폐기물에 대해서 걱정할 필요 없이 안심하고 일상생활을 할 수 있습니다.



Q. 우리나라 기술로는 방사성폐기물을 못 없애나요?

A. 방사성폐기물은 다른 독성 물질과 달리 수명이 있습니다. 즉, 방사선을 다 뿜어내고 나면 죽는 것과 마찬가집니다. 과학적으로 말하면 방사성물질이 붕괴되면서 방사선을 내뿜는데, 모든 붕괴가 끝나면 더 이상 열도 방사선도 방출하지 않습니다. 붕괴 과정과 시간은 방사성동위원소마다 다릅니다. 그래서 방사성물질의 특성을 잘 파악하고 모든 붕괴가 끝날 때까지 안전한 장소에 잘 보관하고 관리해야 합니다. 이렇게 방사성폐기물은 일정시간이 지나면 독성이 사라지지만, 이를 순간적으로 처리하여 없애는 기술은 현재로서 불가능합니다.

물론 가속기 등을 이용해 인위적으로 원자핵 붕괴를 더 빠르게 일으킬 수는 있습니다. 그런데 여기에 소모되는 에너지가 많아서 배보다 배꼽이 더 큰 격입니다. 다시 말해 빠르게 처리할 수는 있지만, 너무 큰 비용이 들기 때문에 현재와 같이 처리하는 것이 유리합니다. 미래에는 과학자들이 방사성폐기물을 큰 부담 없이 처리하는 기술을 개발할 수 있기를 학수고대합니다.



Q. 미래에 원자력발전소는 점점 없어지나요?

A. 우리나라에서는 현재 원자력발전소를 감축하는 계획이 있지만, 세계적으로는 원자력발전소의 발전량이 앞으로도 오랜 기간 유지되거나 오히려 증가할 것으로 보고 있습니다. 그 이유는 전 지구적 이슈로 떠오른 기후 위기에 대응하기 위한 탄소제로 달성이나 수소경제 실현을 위해서 원자력 발전이 필요하기 때문입니다. 따라서 미래에 우리나라에서 원자력발전소가 점점 없어질지 아니면 세계적 트렌드에 맞게 유지되거나 증가할지는 미래세대의 의견에 따라 결정될 것입니다. 정부와 원자력 이용기관에서는 원자력을 안전하고 경제적으로 이용하기 위해 큰 노력을 기울이고 있습니다. 현 세대가 원자력발전소를 운영하는 동안은 기술개발을 통해 더 안전하고 경제적으로 운영해야 하기 때문입니다



Q. 중소형원자로의 개발현황 및 상용화 전망은?

A. 국내 중소형원자로는 SMART(System-integrated Modular Advanced Reactor) 원자로 개발과 함께 시작되었습니다. 1997년부터 개발을 시작한 SMART는 2012년도에 일체형 경수로 개념의 중소형원자로 중에서 세계 최초로 표준설계인가를 획득한 원자로입니다. 현재에는 후쿠시마 사고와 같은 극한 중대 사고에도 안전하게 원자로를 보호할 수 있는 설비와 전력이 없이도 작동할 수 있는 안전계통을 도입한 개량형 SMART를 개발하여 표준설계변경인가를 진행 중입니다. 표준설계인가를 획득한 원자로는 바로 상용화할 수 있는 단계의 원자로라고 생각할 수 있습니다. 또한 2021년부터 한국수력원자력 주도로 혁신형 SMR이라고 하는 차세대 소형모듈원자로 기술개발이 시작되었습니다. 미래에는 현재와 같은 대형 원자력발전소보다 소형모듈원자로가 더 중요한 역할을 할 것으로 보입니다.