미·중 스타트업들은 왜 원자력에 집착하는가

▶ "'미우새' 원자력, 기후변화 해법될까" 에서 이어집니다

현재 전 세계 에너지 공급에서 원자력이 차지하는 비중은 10.2%다. 1997년 17%에서 크게 줄었다. 탄소배출을 크게 줄인 신재생에너지 의존도가 늘어나면서 핵에너지 비중이 감소한 것. 국제에너지기구(IEA)는 '2040년이 되면 원전 비중이 현재보다 2/3 더 줄어들 것'이라고 추산한다. 3가지 이유를 든다. 첫째 원전은 수지타산을 맞출 수 없고, 둘째 사용연한이 지나 노후해질 것이고, 셋째 더 이상 사회에서 용인하지 않는다는 것.

새로운 시대 새로운 원자로

따라서 '원전 르네상스'를 선언하기에 지금처럼 나쁜 때는 없다. 그런데도 왜 몇몇 기업들은 여전히 원전에 집착할까. 미 오리건주 코밸리스에 위치한 원자력 전문업체 '뉴스케일'(NuScale) 대표인 호세 레예스도 스스로에게 그런 질문을 던진다고 한다.

레예스는 오리건주립대에서 30년 동안 교수로 재직했다. 퇴직한 뒤 원자력 부문에서 가장 흥미를 끄는 스타트업 뉴스케일을 설립했다. 그리고 자신만의 핵원자로를 개발하고 있다.

그는 "나에게 스스로 묻는다. 원자로가 현대 전력망에서 어떤 의미인지. 전 세계는 점차 풍력이나 태양열 같은 재생에너지에 의지하고 있다"고 말했다. 그의 책상 옆에는 뉴스케일의 모델이 놓여 있다. 전통적인 가압형 경수로(pressurized water reactor)다. 하지만 60메가와트 생산능력에 불과하다. 1000메가와트 이상의 전력 생산량을 가진 콘크리트 돔의 공룡같이 거대한 기존 경수로에 비하면 매우 적다.

핵원자로는 아주 복잡한 물주전자다. 우라늄의 핵은 원자로 내에서 분열한다. 고속중성자를 발산하는 과정이다. 물분자로 속도가 둔화되는 이 중성자는 우라늄 핵을 계속 분열시킨다. 핵이 분열하는 일련의 반응에서 열이 발생한다. 열은 물에 흡수된다. 이때 고온의 증기가 냉각 회로에서 형성돼 터빈을 돌린다.

냉각시스템이 실패하면 문제가 생긴다. 전기가 끊어져 냉각수 펌프가 작동하지 않거나, 냉각 회로에 균열이 나는 때다. 현대식 원자로는 냉각시스템이 고장나면 연속반응을 중단시키는 기술을 갖추고 있다. 하지만 그런 경우라도 여분의 열이 원자로 노심을 녹일 정도로 달아오를 수 있다. 2011년 일본 후쿠시마에서 발생한 상황이다. 쓰나미가 냉각 펌프를 덮쳐 작동이 멈췄다.

반면 체르노빌 사고의 경우 원자로가 폭발했다. 원자로 출력이 폭주하면서 증기압이 급격히 높아졌기 때문이다. 독일을 비롯해 전 세계 각지에서 운영되는 현대식 원자로는 이를 방지하는 기술을 갖추고 있다.

뉴스케일의 원자로는 이런 위험을 더욱 더 줄였다고 한다. 레예스 팀은 원자로를 길이 23미터, 지름 4.5미터의 강철 포탄 안에 집어넣었다. 이 모듈들은 대형 대야 또는 실내 수영장처럼 생긴 공장에 수직으로 배치된다(그래프 참조).

레예스는 "이 시설의 안전은 전례 없는 수준"이라며 "모든 시스템이 망가져도 원자로는 자동 정지한다. 운영자 조작 없이, 컴퓨터 조치 없이, 직류와 교류가 없어도. 이는 물리학"이라고 말했다.

레예스는 모의실험을 시연했다. 원자력 발전소에서 벌어질 수 있는 악몽 같은 시나리오를 연출하는 것이다. 1개 원자로의 모든 밸브를 잠가 외부세계와 단절시킨다. 그러자 붉은 경고등이 깜빡이면서 예상대로 노심 온도가 급격히 상승하기 시작한다.

그때 안전 시스템이 가동된다. 통제봉이 연료봉 사이로 내려오면서 핵분열을 늦춘다. 잠갔던 밸브들이 자동적으로 열려 원자로의 상승하는 압력을 낮춘다. 고온의 증기가 냉각회로에서 격납용기로 흐른다. 이 열은 원자로 풀로 방출된다. 노심 온도가 안정화된다.

레예스는 "10억년에 한 번 일어나는 사고를 지켜보고 있다"며 "모든 시스템이 실패해도, 원자로 온도를 낮추기에 충분한 냉각수가 풀에 있다"고 말했다.

하지만 아직 모의시험일 뿐이다. 뉴스케일의 실제 원자로는 아직 완성되지 않았다. 그러나 모델링은 실제 데이터에 기반했다. 레예스 팀은 오리건주립대 창고에서 1:3의 비율로 축소해 실험용 원자로를 만들었다. 곧 실제와 동일한 8미터 높이 원자로 모델에서 추가 실험이 시행될 예정이다.

뉴스케일 원자로엔 펌프가 없다. 또 대부분 고정부품이고 가동부품은 거의 없다. 강철로 만든 외부는 콘크리트 돔보다 외부충격에 더 강하다. 그리고 더 쉽게 만들 수 있다. 레예스는 이같은 소형 원자력 발전소를 매달 3개씩 만들 계획이다. 그렇게 되면 가격을 크게 낮출 수 있다. 사전 제작된 핵원자로는 공장에서 고객에게 직접 배달된다.

레예스는 "약 20개국에서 큰 관심을 보이고 있다"고 자랑했다. 유럽의 경우 루마니아와 체코공화국이 뉴스케일의 컴팩트 원자력 공장을 눈여겨 보고 있다. 미국에선 29개 전력사들과 협상중이다. 한 전력사는 뉴스케일을 도입하기로 계약했다. '유타 어소시에이티드 뮤니시플 파워시스템'이다. 이 회사는 원자력 규제 당국이 제품 승인을 내주자마자 뉴스케일에 12개의 원자로 모듈을 주문할 계획이다. 2026년쯤 구매할 수 있을 것으로 보고 있다.

12개 모듈의 가격은 대략 30억달러로 예상된다. 뉴스케일은 1킬로와트시 전력 생산에 드는 비용을 6센트로 보고 있다. 저렴한 가스 발전소와도 경쟁할 수 있는 가격이다.

'백업전력'이라는 잠재력

뉴스케일의 소형 모듈 원자로가 원전 르네상스를 촉발할 수 있을까. 여기서 중요한 건 전력 발생원을 어떻게 구성해야 가장 낮은 비용으로 기후변화 목표를 달성할 수 있느냐는 점이다. 즉 에너지 믹스다.

거의 모든 전문가가 동의하는 한 가지는 미래의 에너지 믹스 구성요소가 태양과 바이오매스, 풍력, 수력 등일 것이라는 전망이다. 독일 베를린 소재 싱크탱크인 '아고라 에네르기벤데'는 "향후 10년 동안 유럽의 총 전력생산에서 태양과 바이오매스, 풍력, 수력 비중이 57%에 달할 것"으로 예상한다. 하지만 자연의 힘에 의존하는 전력 시스템이 가장 적합하냐는 데엔 이견이 존재한다.

풍력은 강하다. 하지만 어떤 지역에선 바람이 전혀 불지 않는다. 태양은 오직 낮에만 빛난다. 때로 강하지만, 때로 약하다. 풍력과 태양열·태양광에 있어 최악의 시나리오는 바람과 태양이 전혀 없는 '기상무풍대'(dark doldrums) 지역이다.

일부 전문가들은 에너지 저장 시스템, 그리고 유연한 범유럽 전력시장을 통해 그같은 널뛰기 현상을 관리할 수 있다고 본다. 하지만 보다 현실적이고 저렴한 방법은 '백업 발전소'를 활용하는 것이다. 바람이나 햇빛이 전혀 없을 경우에도 가동될 수 있는 발전소다.

아고라 에네르기벤데의 사무총장 파트리크 그라이헨은 천연가스 발전소가 백업용도에 이상적이라고 본다. 발전 증강과 감소가 매우 신속히 이뤄지기 때문이다. 가정에서 쓰는 가스레인지를 연상하면 된다. 그는 "독일 전력망엔 30기가와트 용량의 가스발전소가 있다"며 "총 용량의 절반만 운영하고 있다"고 말했다.

하지만 천연가스를 쓰는 내연기관 역시 이산화탄소를 배출한다. 그라이헨 사무총장은 미래에는 화석연료를 수력이나 합성제조메탄으로 대체해야 한다고 주장한다. 하지만 그를 위해선 또 다시 막대한 양의 에너지가 들어가야 한다.

백업전력과 관련해 원자력이 보다 쉽고 환경친화적이라는 주장이 나오는 지점이다. 전통의 원전은 백업 용도에 적합하지 않다. 전력 생산량을 쉽고 빠르게 조정할 수 없기 때문이다. 하지만 소형 모듈 발전소라면 가능하다.

뉴스케일의 호세 레예스는 "전력 필요에 따라 원자로 개별 모듈의 통제봉을 활용하면 연료를 조절할 수 있다"고 말한다. 증기 배출도 터빈을 우회하도록 조정될 수 있고, 발전소 원자로를 셧다운(일시정지) 하지 않고도 전력망을 쉬게 할 수 있다는 설명이다.

스웨덴 공학자이자 에너지 컨설턴트인 스테판 퀴비스트는 "원자력은 풍력, 태양력과 같은 신재생에너지와 함께 현대 전력망을 구성하기가 좋다"고 주장한다. 그는 "원자로의 열을 동시에 다른 목적으로 활용할 때, 즉 수소를 생산한다든지 할 경우 원자력의 궁합은 위력을 발휘한다"고 덧붙였다.

하지만 퀴비스트가 보기에 가장 큰 장점은 저렴한 비용이다. 그는 "소형의 모듈 원자로는 전통의 원전보다 훨씬 저렴하다"며 "따라서 투자자를 구하기 쉽다"고 말했다. 특히 천연가스에 탄소세가 적용될 경우 소형 모듈 원자로의 경쟁력은 더 커진다.

MIT 원자력공학과 교수인 야코포 본조르노는 '원자력이 전 세계의 탈탄소화를 이끌 핵심 에너지'라고 믿는다. 그는 '원자력이 가진 기후보호 잠재력을 활용해야 한다'며 기존 원전을 성급히 폐쇄해선 안된다는 입장을 갖고 있다.

원전 단계적 폐쇄는 잘못?

앞으로 3년 후면 독일 원전은 안녕을 고한다. 2025년 독일이 원전 폐기를 위해 투입해야 할 예산은 5000억유로다. 그 결과 전력생산 단가가 오르게 된다. 지난 10년 간 독일 전력생산 단가는 약 3분의 1 올랐다. 하지만 같은 기간 이산화탄소 배출량은 거의 줄어들지 않았다. 독일의 에너지 믹스는 여전히 환경친화와 거리가 멀기 때문.

그럼에도 독일의 원전 정책이 바뀔 가능성은 거의 없다. 에너지 업계도 원자력에 그리 큰 관심을 쏟지 않는다. 지금 당장 원자력 폐쇄 결정을 취소한다 해도, 부품 등을 새로 장착해야 하는 과정과 비용이 녹록지 않기 때문이다.

아고라 에네르기벤데의 그라이헨 사무총장은 "독일 내 원자력을 되살릴 사회적 추동력이 없다"고 말했다. 독일 '응용생태학연구소' 크리스토프 피스트너 역시 원전 르네상스는 불가능하다고 본다. 그는 "원자력에 대한 사회적 합의에 의문을 제기하는 것은 큰 문제를 일으키게 될 것"이라며 "원전시설은 사고의 위험에다 테러리스트의 목표물이 될 수 있다"고 지적했다.

전문가들은 핵폐기물 처리와 관련한 문제가 아직 안심할 정도로 해결되지 않았다고 지적한다. 피스트너는 "전 세계 어디에도 핵폐기물을 최종적으로 저장할 수 있는 곳이 없다"고 말했다. 독일은 방사성폐기물을 일시적으로 처리하고 있다. 최종 저장소를 수년째 탐색하고 있지만 진척은 지지부진하다. 인근 지역 주민들의 반발이 거세기 때문이다.

반면 원자력 옹호자들은 기술의 발전을 거론한다. 하버드대 심리학 교수 핑커는 "우리가 진심으로 말할 수 있는 건 원자력이 에너지원 가운데 가장 안전하다는 점"이라고 주장했다. 그는 "역사상 치명적인 원자력 사고 중 체르노빌 사건만 방사능에 직접 노출되는 사고였다"며 "그로 인해 31명이 사망했다"고 지적했다. 또 "수천명에서 수만명이 사고와 관련한 암에 걸려 사망한 것으로 추산된다"라며 "호흡기 질환으로 조기에 사망하거나 석탄발전으로 인한 대기오염으로 암에 걸려 사망하는 사람들과 비교하면 적은 수치"라고 주장했다.

매년 약 80만명으로 추산되는 사람들이 석탄 매연이나 이산화황, 질소산화물, 수은과 비소 등 석탄으로 인한 오염물질 때문에 사망한다. 또 폐기물 문제라면 못쓰게 된 태양광 패널도 골칫거리다. 원자력 찬성자들은 "독일이 무기한 저장해야 하는 고도의 방사능 폐기물 양은 약 1만톤으로, 중대형 가구 대리점 정도의 공간만 있으면 된다"고 주장한다.

독일 시사주간지 슈피겔은 "원전 찬성자들의 주장을 냉소적으로 받아들일 수 있지만, 에너지 생산엔 언제나 희생과 오염이 있다"며 "'왜'라는 질문을 계속 이어져야 한다"고 지적했다. 예를 들어 △우리는 어떤 비용과 리스크를 받아들여야 하는가 △우리가 더 두려워해야 하는 건 뭔가 △불가피한 기후변화인가 아니면 잠재적으로 원자로 노심용해와 관련된 지역적 위험인가 △원자력에 대한 우려는 정당화될 수 있다. 그렇다 해도 기후변화 위험이 높아지는 상황에서 원자력 기술을 완전 제거하는 것까지 합리화할 수 있는가 등이다.

방사능의 미래는

'테라파워'는 빌 게이츠가 투자한 미국의 원자력 스타트업이다. 존 길랜드는 이 회사의 최고기술책임자다. 그는 미국 에너지 분야의 오랜 권위자다. 풍력, 태양열 시설, 수력발전소 등을 책임진 바 있다. 연료전지와 퓨전 원자로를 연구하기도 했다. 그런 그가 직업인생 막바지에 게이츠와 의기투합했다.

길랜드는 "13년 전 테라파워가 설립됐을 때 초점은 원자력이 아니었다"며 "게이츠는 수십억명의 인구가 에너지 빈곤에서 벗어날 방법, 동시에 전 세계가 탄소를 탈피할 방법을 찾고 있었다"고 말했다. 그는 "게이츠와 연구진은 여러 다양한 방법을 고려했다"며 "결국 전 세계에 필요한 것 중 하나가 원자력이라는 결론에 이르렀다"고 덧붙였다.

테라파워는 두 종류의 4세대 원자로를 개발중이다. 이들의 실험이 성공한다면, 인류의 에너지 문제가 해결될 수도 있다. 테라파워의 실험 주제는 고속증식로다. 핵분열 동안 생성된 중성자가 감속하지 않는 원자로다. 이 중성자는 매우 높은 에너지를 갖고 있어 사용후 연료봉에서도 우라늄을 분리해낼 수 있다. 이는 핵폐기물 문제를 해결할 잠재력이 크다는 의미다. 또 우라늄235와 플루토늄 등 무기로 전환되는 물질도 연료로 활용할 수 있다. 이는 핵군축에도 기여할 수 있다는 의미다.

더불어 고속증식로의 에너지 산출량은 전통 원전보다 50배 많다. 핵분열 물질에 저장된 에너지를 95%까지 추출할 수 있다. 현재 운영중인 원전의 산출량은 5%에 불과하다.

게다가 새로운 핵분열 물질이 증식 과정에서 나온다. 보다 많은 에너지를 만드는 데 활용될 수 있다.

하지만 시설의 운전온도(operating temperature)가 섭씨 1000도까지 상승할 수 있다. 액화소듐이나 용융염으로 냉각시켜야 한다. 냉각재 자체가 큰 위험도를 가진 물질이다. 문제는 또 있다. 부산물로 플루토늄이 생성된다. 재처리 공장에서 제거해야 할 물질이다. 핵무기를 만들 때 사용하는 수준과 그리 멀지 않다. 지금까지 19개의 고속증식로가 운영됐다. 그중 5개는 현재도 운영중이다. 러시아에 3개, 인도와 중국에 각 1개씩이다.

테라파워는 이런 고속증식로 모델을 보다 개선하려 연구중이다. 첫번째 연구주제는 '진행파 원자로'(Traveling Wave Reactor)다. 원자로 노심에 있는 핵분열 물질이 내부에서 외부로 소모된다. 하지만 그 과정이 다 끝나기 전에 원자로 노심 중간으로 재위치되는 방사성 물질과 함께 연료봉이 자동 이동한다. 반응이 계속된다는 의미다. 이런 과정이 수십년 지속될 수 있다. 핵연료를 교체할 필요가 없다. 연구자들은 "극히 위험한 폐기물질을 만들지 않는다"고 말한다.

길랜드는 "재처리 공장이 필요하지 않다. 농축공장을 가질 필요도 없다. 우라늄 농축이 불필요하다"고 말했다. 핵물질 확산 위험을 피할 수 있다고도 했다. 그는 "플루토늄을 처리할 최적의 장소는 노심이다. 그 누구도 노심에서 플루토늄을 훔쳐갈 수 없다"고 강조했다.

테라파워가 연구중인 두 번째 연구주제는 용융염화물 고속원자로다. 여기엔 연료봉이 전혀 없다. 용융우라늄염이 핵분열 물질로, 용융염이 냉각재로 기능한다. 진행파 원자로와 마찬가지로 용융염화물 고속원자로도 안전하다는 주장이다. 무언가 잘못됐을 때 자체적으로 중단되도록 설계된다는 의미다.

길랜드는 "이들 원자로는 탄소가 전혀 없는 에너지를 매우 작고 집중적인 공간에서 생산하게 된다"고 말했다.

길랜드는 테라파워의 고속증식로가 2035년쯤 에너지 믹스의 한 축이 될 것으로 기대한다. 하지만 길랜드의 예상이 옳은지 검증하는 건 그의 손을 떠났다. 테라파워는 2015년 중국 핵공업집단과 계약을 맺어 공동연구를 진행해왔다. 하지만 도널드 트럼프 대통령이 중국과 무역전쟁을 벌이면서 원자력 부문에도 '미국 우선주의'를 천명했다.

길랜드는 "우리는 더 이상 중국과 연구하지 않는다"고 아쉬워하며 말했다. 그는 "우리가 여기서 무엇을 만들 수 있을지 고민하고 있다"고 덧붙였다.