해수 우라늄, 실현 가능한 에너지 원으로 한 걸음 더 가까워지다

우라늄 같은 연료를 사용하는 원자력 에너지는 전 생애주기에서 탄소 배출이 적은 전력원입니다. 그 역사에는 심각한 사고도 있습니다. 현대의 안전 시스템은 위험을 낮추지만 감독, 폐기물 관리와 환경 보호는 여전히 필요합니다. 화석연료 의존도를 줄이려는 노력은 원자력의 역할을 다시 검토하게 합니다.

“원자력은 화석연료를 대체하는 저탄소 에너지원이며, 경제와 환경의 녹색 발전을 위한 중요한 보장을 제공한다.”

연구진은 2023년 해수에서 우라늄을 회수하는 전기화학적 방법을 제시했습니다. 대규모로 지속 가능한 방식이 될 수 있는지는 비용, 에너지 소비와 환경 영향을 평가해야 알 수 있습니다.

연구의 진전

ACS Central Science에 실린 연구의 제목은 「효율적인 전기화학적 우라늄 추출을 위한 자립형 다공성 방향족 골격 전극」입니다. 이 연구는 물에 녹아 있는 우라닐 이온을 포집하는 방법에 관한 것으로, 해수에서 바로 전기나 완성된 핵연료를 만드는 기술은 아닙니다.

전 세계 바다에 녹아 있는 우라늄의 총량은 “약 45억 톤으로, 육상 우라늄 매장량의 거의 1,000배”로 추정됩니다. 그러나 용존 총량과 경제적으로 회수 가능한 매장량은 다릅니다. 해수 속 우라늄 농도는 매우 낮습니다.

연구진은 탄소섬유 직물에 우라닐 이온을 결합하는 아미독심기를 포함한 다공성 고분자를 입혔습니다. 직물을 음극, 흑연을 양극으로 사용해 전류를 흘리자 표면에 우라늄 함유 침전물이 모였습니다. 자연 상태의 보하이해 해수 실험에서는 24일 동안 활성 코팅 재료 1g당 우라늄 12.6mg을 회수했습니다. 물 1g당 수치가 아닙니다. 전기화학적 방식은 직물에 수동적으로 축적시키는 방식보다 약 세 배 빨랐습니다.

연구진은 이 결과가 “전기화학적 과정을 통한 해수 우라늄 추출의 효과적인 전략을 제공했다”고 설명합니다. 다만 상업 규모에서 채굴보다 저렴하거나 환경적으로 우수하다는 증거는 아직 아닙니다.

우라늄이란?

우라늄은 자연에 존재하는 무거운 금속 원소입니다. 일부 동위원소는 핵분열 연료로 쓰이며, 적은 연료 질량에서 큰 에너지를 방출할 수 있습니다. 모든 우라늄 동위원소가 같은 핵분열 특성을 갖는 것은 아닙니다.

채굴과 가공은 토지, 물, 폐기물 관리에 영향을 줍니다. 원자력 발전은 생애주기 배출량이 적지만 환경 영향이 없는 것은 아닙니다. 해수 추출도 같은 기준으로 평가해야 합니다.

핵분열, 연쇄반응과 방사성 붕괴

우라늄-235 원자핵이 중성자를 흡수하면 더 가벼운 핵으로 분열하면서 에너지와 추가 중성자를 방출할 수 있습니다. 이러한 유도 핵분열은 우라늄의 자연적인 방사성 붕괴 사슬과는 다릅니다.

출처: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm — 방사성 붕괴 사슬을 나타낸 그림이며, 핵분열 연쇄반응 도식이 아닙니다.

원자로에서는 연쇄반응을 제어합니다. 한 번의 핵분열에서 나온 중성자가 다른 핵분열을 일으킬 수 있습니다. 발생한 열은 보통 증기를 만들고, 증기는 발전기에 연결된 터빈을 돌리는 데 사용됩니다.

원자력 발전의 기반은 이러한 제어된 핵분열입니다. 발전 에너지를 그림에 나온 자연 방사성 붕괴 사슬과 같은 과정으로 설명해서는 안 됩니다.

핵융합: 다른 접근법

핵분열에서는 적절한 격리와 관리가 필요한 핵분열 생성물 및 다른 방사성 물질이 생깁니다. 핵분열 생성물은 원자핵이 쪼개져 생기며, 우라늄의 일반적인 자연 붕괴만으로 만들어지는 것이 아닙니다. 과학자들은 다른 에너지원으로 핵융합을 오랫동안 연구해 왔습니다.

핵융합은 가벼운 원자핵들을 결합합니다. 주요 연구 반응 중 하나는 중수소와 삼중수소가 결합해 헬륨, 중성자와 에너지를 만드는 것입니다. 태양도 핵융합으로 빛나지만, 태양에서 주로 일어나는 반응 사슬은 지상에서 연구하는 중수소·삼중수소 반응과 다릅니다. 가능한 장점은 다음과 같습니다.

연료 질량당 높은 에너지: 핵융합은 연료 1kg당 핵분열의 약 네 배, 석탄이나 석유 연소의 거의 400만 배 에너지를 낼 수 있습니다. 이는 한 번의 반응이나 발전소의 순전력 효율이 아니라 연료 질량을 기준으로 한 비교입니다.

연료 공급: 중수소는 물에서 얻을 수 있습니다. 삼중수소는 자연에 풍부하지 않으므로, 예를 들어 핵융합 중성자로 리튬에서 생산해야 합니다. 충분한 삼중수소 생산과 회수는 여전히 기술적 과제입니다.

잠재적인 환경상 이점: 핵분열과 마찬가지로 핵융합 반응 자체는 이산화탄소를 배출하지 않습니다. 중수소·삼중수소 반응은 헬륨과 중성자를 만들며, 중성자는 원자로 재료를 방사화할 수 있습니다. 따라서 방사선 방호와 재료 관리가 필요합니다. 약 100년 후 재사용 가능성도 재료와 설계에 달려 있으며, 일반적인 보장은 아닙니다.

안전성: 핵융합은 엄격한 조건이 필요하며 핵분열 연쇄반응을 유지하지 않습니다. 조건이 무너지면 플라스마의 핵융합이 빠르게 멈춥니다. 노심용융 위험은 핵분열 원자로와 다르지만 삼중수소, 중성자, 열 및 시설 안전을 관리해야 합니다. 우라늄이나 플루토늄 연료를 쓰지 않는다고 모든 핵확산 위험이 자동으로 사라지는 것은 아닙니다.

NIF는 2022년과 2023년에 표적 수준의 에너지 이득을 달성했습니다. 예를 들어 2022년 12월에는 표적에 전달된 레이저 에너지 2.05MJ로 핵융합 에너지 3.15MJ가 나왔습니다. 이는 순전력 생산이나 시설 전체의 양의 에너지 수지를 의미하지 않습니다. 시설 전체는 더 많은 에너지를 소비했습니다.

2023년에 제시된, 시범 핵융합 발전소를 10~20년 안에 구현할 수 있다는 전망은 추정일 뿐 확정된 일정이 아닙니다. 개발은 플라스마 물리, 재료, 연료 생산, 건설과 경제적 운영에 달려 있습니다.

안정적이고 실용적인 핵융합 발전에는 여전히 연구와 기술 개발이 필요합니다. 성공적인 점화 실험이 곧바로 작동하는 발전소나 보장된 상용화 일정을 뜻하지는 않습니다.

에너지·원자력 기술 기업

공공 연구기관과 민간기업은 에너지·원자력 기술에 기여합니다. 아래 기업들의 역할은 서로 다르며, 모두 해수 우라늄 추출이나 핵융합을 개발하는 것은 아닙니다.

표의 수치는 2023년 기사의 역사적 시점 자료로, 현재 시장 데이터가 아닙니다. 최신 지표는 별도로 확인해야 합니다.

1. Exelon Corporation

EXC 가격 차트

시카고에 본사를 둔 Exelon Corporation (EXC )은 2022년 2월 발전 사업을 Constellation으로 분리하고 송전·배전에 집중했습니다. 따라서 원자로 23기와 원전 14곳을 운영한다는 과거 설명은 현재 Exelon의 운영 사업을 뜻하지 않습니다. 표와 EXC 차트는 Constellation이 아니라 Exelon에 관한 것입니다.

2. NextEra Energy, Inc.

NEE 가격 차트

NextEra Energy (NEE )는 2023년 연차보고서 기준으로 플로리다, 뉴햄프셔, 위스콘신에 원전을 보유했습니다. 핵분열 자체는 이산화탄소를 배출하지 않지만 시설에는 생애주기 환경 영향이 있습니다. 원문의 연간 2,400만 톤 이상 배출 회피 수치는 비교에 따른 추정치이지 총배출이 0임을 측정한 값이 아닙니다.

3. BWX Technologies, Inc.

BWXT 가격 차트

미국 기업 BWX Technologies (BWXT )는 원자력 부품, 기술과 연료를 공급합니다. 사업에는 해군 원자력 추진, 핵의학과 연구용 원자로가 포함됩니다. 2023년에는 GE Hitachi로부터 BWRX-300 소형모듈원자로의 압력용기 설계 관련 엔지니어링 계약을 받았다고 발표했습니다. 폴란드 등 유럽의 개발 계획은 이미 원전이 가동 중이라는 뜻이 아닙니다.

맺음말

해수의 전기화학적 우라늄 추출과 핵융합은 별개의 연구 분야입니다. 전자는 대규모 회수가 경제적·환경적으로 적합하다고 확인되면 핵분열 연료 공급원을 넓힐 수 있습니다. 후자는 상당한 기술적 과제를 안고 다른 에너지원을 모색합니다. 2023년 결과는 연구의 진전이며, 환경 영향 없는 무제한 전력이 이미 이용 가능하다는 증거가 아닙니다.