에너지
4세대 원자력: 더 저렴하고, 더 깨끗하며, 더 안전하게
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공상과학에서 정체까지
원자력은 논쟁이 큰 에너지원입니다. 체르노빌과 후쿠시마 사고, 방사성폐기물 문제를 우려하는 시각이 있는 반면, 낮은 탄소배출과 작은 부지에서 안정적으로 전력을 공급할 수 있다는 점을 중시하는 시각도 있습니다.
이러한 분열은 기후 변화가 논의되기 전부터 이미 존재했습니다.
세계는 히로시마와 나가사키에 대한 원자폭탄 투하를 통해 핵의 엄청난 힘을 처음 인식했으며, 곧 H-폭탄과 냉전이 뒤따랐습니다. 이러한 기원에서 원자에 대한 새로운 통제력의 파괴적 잠재력이 명확해졌습니다.
곧 평화적 목적을 위해 이를 활용하려는 생각도 자리 잡았습니다. 먼저 “평화를 위한 원자력(Atoms for Peace)” 이니셔티브가 있었고, 그 뒤로 전 세계에 원자력 발전소 건설 물결이 일었습니다. 한때는 미래가 원자력이라고 여겨졌으며 석탄·석유·가스 연소는 네덜란드의 풍차처럼 구시대적인 것이 될 것이라 여겨졌습니다.
세계 원전 발전량은 2000년대 들어 이전보다 완만하게 증가하거나 정체한 시기가 있었습니다. 1986년 체르노빌 사고와 2011년 후쿠시마 사고도 정책에 영향을 주었습니다. 국가별 흐름은 달랐으며, 중국의 증설과 일부 유럽 국가의 축소가 동시에 진행됐습니다.
최근 원전 건설에서 중국과 러시아가 큰 역할을 했지만, 다른 나라에서도 개발과 운영은 계속됐습니다.
특히 중국은 다른 어느 나라보다 빠르게 원자력 발전소를 건설하고 있다는 평가를 받고 있습니다.
출처: The Economist
2024년 당시 여러 나라에서 원자력 확대 또는 재가동을 검토했습니다. 다음과 같은 보도는 계획과 정책 논의에 관한 것으로, 실제 건설·가동 완료와는 구분해야 합니다.
- 일본, 세계 최대 원자력 발전소 재가동 추진
- 당시 미국 에너지부 장관 제니퍼 그랜홀름, 미국 원전 설비 규모 3배 확대 촉구
- 한국 에너지 초안에 신규 원자력 포함
- 프랑스, 에너지 법안 논의에서 신규 원전 확대에 무게
- 영국의 신규 원전 논의와 별개로 스코틀랜드 정부는 신규 원전 건설에 반대
- 인도, 2032년까지 원자로 18기·13.8GW 추가 계획
빠진 탈탄소화 연결고리?
안전성 우려는 여전히 중요하며, 독일이 원전을 단계적으로 폐쇄한 배경 중 하나였습니다.
원자력은 생애주기 온실가스 배출이 낮은 전원 중 하나입니다. 토지와 자원 사용량도 비교 조건에 따라 풍력·태양광보다 적을 수 있지만, 모든 평가에서 단 하나의 최저 배출원이라고 단정할 수는 없습니다.
대형 사고의 피해는 중대하지만, 발전량당 사망자 수를 비교한 연구에서는 원자력과 재생에너지 모두 화석연료보다 낮은 수준으로 평가됩니다.
이런 특성 때문에 원자력은 전력망과 경제의 탈탄소화에 활용할 수 있는 수단 중 하나입니다. 전기차, 열펌프, 데이터센터 등으로 전력 수요가 늘어나는 가운데 실제 역할은 비용, 건설기간, 안전성, 지역 여건에 달려 있습니다.
대체해야 할 석탄·석유·가스 양은 어마어마합니다. 재생에너지와 전기차 보급이 진전되었음에도 오늘날 에너지 소비의 대부분을 여전히 차지하고 있습니다.
핵폐기물은 어떨까요?
발전 과정의 안전성을 평가하는 것과 별개로 방사성폐기물의 장기 관리는 중요한 과제입니다.
미래 세대에게 수천 년 동안 위험을 남길 독성 폐기물을 남긴다는 생각은 최소한 충격적이라고 할 수 있습니다.
기후 대응과 폐기물 관리를 함께 고려해야 합니다. 기술 발전은 사용후핵연료의 재활용과 일부 장수명 핵종의 감소에 기여할 수 있습니다.
일부 설계는 연료 재활용이나 장수명 핵종의 변환을 목표로 합니다. 다만 어떤 원자로도 방사성폐기물을 전혀 만들지 않는 것은 아닙니다. 이런 목표는 4 세대 원자력 시스템의 연구 과제와 관련됩니다.
아래에서 고속로와 토륨 연료주기의 가능성 및 한계를 살펴보겠습니다.
폐기물을 우주로 보내자는 구상도 있지만, 발사 실패와 재진입에 따른 방사성물질 확산 위험 및 비용 때문에 현재의 실용적인 처분 대안으로 보기 어렵습니다.
원자력 발전소 세대
제1 세대 원전은 초기 원형·실증 발전소를 중심으로 하며, 일부는 실제 전력을 공급했습니다.
제2 세대는 상업용 원전이 본격적으로 보급되던 시기의 설계로, 현재 운영되는 원전의 상당 부분을 차지합니다. 세대 구분은 특정 건설연도만으로 정해지지는 않습니다.
제3 세대는 제2 세대 설계를 바탕으로 안전성과 신뢰성 등을 개선한 원자로입니다. 제3+세대는 수동안전계통 등 추가 개선을 강조하는 설계에 쓰이는 용어이며, 2017~2021년에 지어진 원자로만을 뜻하지 않습니다.
제4세대는 지속가능성, 경제성, 안전성 및 핵확산 저항성 등을 개선하려는 차세대 원자력 시스템입니다. 국제 공동연구에서는 기존 경수로와 다른 냉각재, 중성자 스펙트럼, 연료주기 등을 검토합니다.
제5세대라는 표현도 비공식적으로 사용되지만, 제4세대 국제포럼의 여섯 기술군과 같은 공통의 공식 분류가 정립된 것은 아닙니다.
4 세대 원자력 발전소
제4 세대 국제포럼(GIF)은 가스냉각고속로, 납냉각고속로, 용융염로, 나트륨냉각고속로, 초임계수냉각로, 초고온가스로의 여섯 기술군을 선정했습니다.
이 글에서는 제3 세대 경수로와 구별되는 주요 개념을 중심으로 살펴봅니다. 소형모듈원자로와 부유식 발전소는 크기나 설치 방식에 따른 분류이므로 자동으로 제4세대가 되지는 않습니다.
설명은 기본 원리를 중심으로 단순화하되, 개별 설계의 실증 수준과 과제를 구분하겠습니다.
초고온가스로(VHTR)
VHTR은 높은 출구온도로 발전과 산업용 열 공급을 목표로 합니다. 일부 개념은 약 1,000°C를 지향하지만, 중국에서 2023년 상업운전을 시작한 고온가스로 HTR-PM의 설계 출구온도는 약 750°C입니다. 이는 제4 세대 기술의 상용화 사례로 소개되지만, 모든 VHTR 목표를 그대로 구현했다는 뜻은 아닙니다.
페블베드 설계에서는 다수의 작은 TRISO 연료입자를 흑연 구형 연료체에 넣습니다. 세라믹 피복층은 핵분열 생성물의 유출을 억제하도록 설계되며, 원자로에는 많은 구형 연료체가 사용됩니다.
출처: CGTN
X-Energy (XE ) 는 미국에서 유사한 고온가스로 기술을 개발하고 있습니다.
일부 설계는 연료의 온도 특성과 수동 열 제거를 활용해 사고 시 온도 상승을 제한하려 합니다. 제3 세대보다 무조건 안전하다고 단정할 수는 없으며, 안전성은 구체적 설계와 검증에 달려 있습니다.
페블베드 설계는 운전 중 연료 교체가 가능한 경우가 있습니다. TRISO의 여러 피복층은 방사성물질 보유 능력을 높이지만, 어떤 조건에서도 누출 위험이 전혀 없다는 뜻은 아닙니다.
용융염로(MSR)
용융염로는 물이나 가스 대신 녹은 염을 냉각재로 사용합니다. 일부 설계는 연료도 염에 녹여 사용하지만, 고체 연료를 사용하는 개념도 있습니다.
높은 운전온도는 열효율 향상에 기여할 수 있습니다. 연료 이용률과 폐기물 특성은 연료주기와 설계에 따라 달라집니다. 원자로의 열중성자형·고속중성자형 구분은 온도가 아니라 중성자의 에너지 분포에 따른 것이므로, 고온이라는 이유로 VHTR과 같은 범주가 되는 것은 아닙니다.
염의 부식성과 방사선에 의한 재료 손상은 중요한 과제입니다. 배관, 펌프, 용기 등의 재료 선정, 염의 화학적 관리 및 검사·정비 기술이 필요합니다.
토륨
1950년대 이후 상업용 원자로 대부분은 우라늄을 연료로 사용했습니다. 그러나 가능한 연료주기가 우라늄 한 종류로만 제한되는 것은 아닙니다.
우라늄의 채택에는 기술 성숙도, 자원, 농축·연료 공급망, 경제성과 군사적 역사가 함께 작용했습니다. 발전용 우라늄 원자로가 오직 핵무기용 플루토늄 생산 때문에 선택됐다고 설명하는 것은 지나친 단순화입니다.
토륨은 지각에 우라늄보다 더 풍부한 것으로 추정됩니다. 다만 토륨-232는 그 자체로 일반적인 핵분열 연료가 아니라, 중성자를 흡수해 핵분열성 우라늄-233으로 전환되는 증식성 물질입니다. 우라늄-233은 핵무기 전용 가능성이 있어 토륨 연료주기가 핵확산 위험에서 자유로운 것은 아닙니다.
출처: ACS
토륨 연료주기는 특정 조건에서 일부 초우라늄 원소의 생성을 줄일 수 있습니다. 하지만 폐기물이 일률적으로 100분의 1이 된다고 보장할 수는 없습니다. 예를 들어 액체불화물토륨로(LFTR) 는 토륨을 활용하는 용융염로 개념이며, 처리공정과 잔류 방사성물질 관리가 여전히 필요합니다.
중국은 물이 아닌 용융염을 냉각재로 사용하는 토륨 실험로를 개발해 왔습니다. 물 냉각 의존도를 줄일 수 있지만 모든 설비가 물을 전혀 쓰지 않는다는 뜻은 아닙니다. 또한 중국선박공업그룹(CSSC)은 토륨 용융염로를 이용하는 컨테이너선 구상을 공개했습니다. 이는 구상 단계이며 운항 중인 상선과 구분해야 합니다.
고속로·증식로·연소로
고속로는 일반적인 열중성자로와 달리 감속재로 중성자 에너지를 낮추지 않고 빠른 중성자를 활용합니다. 연료주기와 설계에 따라 우라늄·플루토늄 등 악티늄족 원소를 더 효율적으로 활용하거나 일부 장수명 핵종을 핵분열시킬 수 있습니다.
출처: Sciences Notes
사용후핵연료에는 장수명 악티늄족 원소와 여러 핵분열 생성물이 포함됩니다. 각각의 반감기, 방사능, 발열량을 고려한 관리가 필요합니다.
연소로 개념은 사용후핵연료에서 분리한 일부 장수명 악티늄족 원소를 변환·핵분열시키는 것을 목표로 합니다. 폐기물의 부피와 장기 독성을 줄일 가능성은 있지만, 재처리·반복 재활용과 별도 폐기물 관리가 필요합니다. 모든 폐기물이 90~98% 줄거나 수십 년 뒤 안전해진다는 보편적 보장은 없습니다.
이러한 고속로는 냉각재에 따라 가스, 나트륨 또는 납 냉각 방식 등으로 나뉩니다.
일부 제4 세대 개념에는 이전의 실험·실증 고속로에서 얻은 경험이 활용됩니다. 프랑스의 Phénix 와 Superphénix 는 각각 1973~2009년, 1986~1997년에 운전된 나트륨냉각 고속증식로였습니다. 두 원자로가 1970~1990년대 내내 상업적으로 핵폐기물을 연소한 것으로 설명해서는 안 됩니다. 폐쇄에는 기술·경제·정책적 요인이 작용했습니다.
현대 고속로 개념의 예로는 상업 발전소로 건설되지 않은 GE Hitachi의 PRISM이 있습니다.
소형모듈원자로(SMR)와 초소형 원자로
전통적인 상업용 원전은 대규모 발전소 형태가 일반적입니다.
SMR은 통상 모듈당 전기출력 300MW 이하의 원자로를 뜻하며, 주요 구성품을 공장에서 제작·운송하는 방식을 지향합니다. 발전소 전체가 트럭 한 대에 실린다는 뜻은 아닙니다. 더 작은초소형 원자로 중에는 운송 가능한 컨테이너형 개념도 있습니다.
출처: NuScale
SMR은 전력망이나 산업용 열·전력 공급에, 초소형 원자로는 외딴 지역과 군사 시설 등에서 활용될 가능성이 있습니다. 우주용 원자로는 별도의 운용·설계 조건을 갖습니다.
작은 단위 용량은 전력망 규모가 작은 국가에도 장점이 될 수 있지만, 규제·운영·연료·폐기물 관리 역량은 여전히 필요합니다.
표준 모듈을 반복 생산하면 대규모 맞춤형 건설에 비해 제작 경험을 축적하고 비용을 낮출 가능성이 있습니다.
그러나 초기 설계·실증·건설 비용은 예상보다 높을 수 있습니다. 첫 사업의 비용 상승이나 취소는 SMR의 경제성에 대한 기대를 조정하게 했습니다.
2024년에는 여러 나라에서 SMR 사업과 검토가 진행됐습니다. 다만 계획의 진행이 빠른 상용화를 보장하지는 않습니다. 사례로는 핀란드, 노르웨이, 폴란드, 미국, 캐나다, 아르헨티나 등이 있습니다.
SMR 기술의 현황은 다음 글에서 더 살펴볼 수 있습니다. 「소형모듈원자로(SMR) 현황 – 여전히 원자력의 미래인가」
부유식 원자력 발전소
부유식 원전은 제4 세대 기술과 동일한 분류가 아니라, 원자로를 해상 구조물에 설치하는 방식입니다.
러시아 Rosatom이 추진한 방식은 항공모함처럼 선박 자체의 추진력을 얻는 원자로와 목적이 다릅니다.
주요 목적은 해안 지역에 전력과 열을 공급하는 것입니다. 개별 원자로의 출력에 따라 SMR 범주에 들 수 있습니다.
출처: Power Technology
러시아 북극권의 부유식 원전은 페베크 같은 해안 지역에 전력과 열을 공급해 왔습니다. 발전 과정의 잔열은 지역난방에 활용할 수 있습니다.
원전 운영 경험이 적은 국가에 공급사가 운영하는 해상 발전소를 제공하는 구상도 있습니다. 다만 송전망 연결뿐 아니라 안전 규제, 비상대응, 항만, 책임 및 폐기물 처리 체계가 필요합니다.
섬과 외딴 지역에 전력을 공급할 수 있지만, 원전 인허가와 설치 조건을 고려하면 일반적인 재난구호 발전기처럼 즉시 투입할 수 있는 시스템은 아닙니다.
예를 들어, 기니와 러시아는 부유식 원전 협력에 관한 양해각서를 체결했습니다.
Westinghouse와 Prodigy 도 해상 설치 개념을 검토했으며, 한국의 KSOE와 한국전력 및 덴마크의 Seaborg 도 관련 기술을 추진해 왔습니다. Seaborg는 용융염로와 해상 발전소를 결합하는 구상입니다.
비용
원자력에 제기되는 또 다른 주요 쟁점은 비용입니다.
미국과 유럽의 일부 최근 사업은 큰 비용 초과를 겪었습니다. 미국 조지아주의 Vogtle 3·4호기는 총비용 약 370억 달러, 당초 예상보다 약 200억 달러 증가한 것으로 보도됐습니다. 핀란드의 경우 Olkiluoto 3호기 비용이 당초 약 30억 유로에서 약 110억 유로로 늘어난 것으로 추산됐습니다.
Vogtle 사업은 약 14년이 걸렸고, Olkiluoto 3호기의 정규 상업운전은 2023년에 시작돼 당초 계획보다 약 14년 늦어졌습니다. 긴 지연은 금융비용과 건설비 증가의 주요 원인이었습니다.
그러나 모든 사업이 같은 결과를 보이는 것은 아닙니다. 비교 사례로 Bloomberg는 중국이 원자로 6기의 건설을 약 170억 달러 규모로 승인했다고 보도했습니다. 이는 계획·승인 금액이며, 이미 완공한 여섯 원자로의 최종비용을 뜻하지 않습니다.
서방의 비용 상승을 설명할 때는 다음과 같은 요인들이 거론됩니다.
- 규제와 사업 관리의 복잡성
- 안전 심사는 필수적이지만, 일관되지 않은 요건이나 절차 지연이 비용을 늘린다는 비판도 있습니다. 모든 규제를 단순한 정치적 방해로 볼 수는 없습니다.
- 자본비용 상승
- 원전은 건설 초기에 큰 자본이 필요하므로 금리와 금융 조건이 최종 발전비용에 큰 영향을 줍니다. 중국의 국가 지원 금융은 다른 시장과 비교할 때 중요한 차이입니다.
- 연속 사업과 공급망 경험의 부족
- 유사한 발전소를 반복 건설하면 설계와 생산을 표준화하고 장비를 연속 제작하는 효과를 얻을 수 있습니다.
- 꾸준한 사업 물량은 숙련 인력을 양성하고 유지하는 데도 도움이 됩니다.
일관된 에너지 정책, 적절한 금융, 안정적인 사업 물량과 효율적인 심사는 비용 관리에 기여할 수 있습니다. 다만 안전 수준을 유지하면서 실제 건설 성과를 입증해야 합니다.
원자력 기업
1. Cameco Corporation
CCJ 가격 차트
원자력은 우라늄 공급에 의존합니다. 우라늄은 매우 희귀한 자원은 아니지만, 고농도 매장량을 찾기란 쉽지 않습니다.
카자흐스탄의 Kazatomprom과 캐나다의 Cameco는 주요 우라늄 공급업체입니다. 다른 생산자도 존재하며, 실제 생산량과 비용 우위는 광산과 시기에 따라 달라집니다. Cameco는 기존 및 신규 원전의 연료 공급에서 중요한 역할을 합니다.
출처: Cameco
Cameco는 채굴 외에도 원자력 서비스 사업에 참여합니다. 2022년 발표된 거래는 2023년 11월 완료돼 Cameco가 Westinghouse 지분 49%를 인수했습니다. Brookfield 측이 나머지 51%를 보유하므로 Cameco가 과반 지분을 인수한 것은 아닙니다.
Westinghouse는 기존 원전의 연료, 정비와 서비스 및 신규 원전 기술을 제공합니다. 엄격한 자격·품질 요건이 공급망 진입장벽이 될 수 있지만, 모든 원전과 SMR의 부품을 반드시 Westinghouse에서 조달해야 하는 것은 아닙니다.
Westinghouse의 혁신 잠재력을 보여주는 사례가 최근 공개된 AP300 SMR 설계이며, 이는 슬로바키아, 핀란드, 스웨덴 등의 사업 논의와 관련됩니다. 협력·평가 단계가 실제 건설 확정을 뜻하지는 않습니다.
따라서 Cameco는 우라늄 시장뿐 아니라 Westinghouse의 원자력 서비스와 기술 사업에도 노출됩니다. 공동 소유자인 Brookfield 측에는 Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) 같은 청정에너지 투자 기업이 참여합니다. 이런 경험이 협력에 기여할 수 있습니다.
2. Mirion Technologies, Inc.
MIR 가격 차트
원자로와 연료 기술 외에도 원전은 계측기, 센서와 다양한 부품에 의존합니다. 이들 장비의 신뢰성과 규제 요건 충족이 중요합니다.
그 중 하나가 방사선 탐지 분야이며, 이는 Mirion(미국)의 핵심 사업입니다. 원자력 규제는 인원·환경의 방사선 노출을 매우 엄격히 점검하고, 누출·오염 가능성을 조기에 감지하도록 요구합니다. 이는 암 치료·영상 등 의료 분야에서도 동일하게 적용됩니다.
출처: Mirion
Mirion은 의료, 원자력, 과학 연구 및 방위 분야에 방사선 측정·검출·방호 기술을 제공합니다. 회사는 2021년 10월 기업인수목적회사(SPAC)와의 합병을 완료하고 뉴욕증권거래소에서 거래를 시작했습니다. 2020년 Mirion의 일반 기업공개가 이뤄졌다는 설명은 부정확합니다.
Mirion의 사업은 의료와 산업 부문에 걸쳐 있습니다. 매출 구성과 성장률은 기간별 실적에 따라 달라집니다.
Mirion은 주로 방사선 측정·모니터링 장비와 서비스를 공급하는 기업입니다. 원자로 개발사나 연료 생산사와는 사업 구조가 다르며, 장비 공급이라는 위치 자체가 수익성을 보장하는 것은 아닙니다.
원자력과 의료 분야의 투자 확대, 안전 관리 및 규제 수요는 Mirion의 기회가 될 수 있습니다. 실제 성과는 고객 투자, 경쟁과 사업 실행에 달려 있습니다.
