[에너지] 원자력 발전의 기초 용어와 원리, 개념 정리 한번에 끝내기
[에너지, 220208, 미래에셋증권, 원전 녹색 옷을 입고 돌아오다]
[에너지, 240927, LS증권, 에너지 전환의 시대, 우라늄의 역할]
원자력 발전의 기초 개념과 발전 현황에 대해서
A-Z까지 모두 정리해 보았습니다.
투자, 공부하실 때 참조해 보세요!
1. 전체 에너지원의 전력화
▶ 장기적으로 화석 에너지의 직접 사용이 감소하고 전력 에너지의 사용이 증가하고 있다.
- 2023년 말 석탄 27%, 석유 31%, 천연가스 23%로 화석에너지는 82% 가량을 차지. 원전은 4%, 수력은 6%, 기타 신재생은 8% 파이를 차지했으며, 전력의 비중은 1980년 이후 두 배(20%)로 증가하였다. 2050년까지 최종 에너지 쓰임에서 전기가 차지하는 비중은 2023년 대비 20% p 이상 증가하여 44%에 이를 것으로 전망된다.
- 화석 에너지 소비는 점차 줄어들고 있으나, 신재생 에너지는 급증하고 있다. 화석 에너지 비중은 2008년 67%로 정점을 찍은 후 62%로 감소하였고, 재생에너지는 2000년 18%에서 2023년 31%로 증가하였다. 그중, 석탄 발전량은 2025년까지 증가하다가 Peak Out 될 전망. 급속히 증가하는 태양광, 풍력 발전이 석탄 발전을 대체 중이다. 반면, 천연가스와 원전은 견조한 흐름을 보이고 있다.
2. 원자력 발전 : 에너지 전환의 연결 고리
지난 20년간 원자력 발전은 정체되어 있었으나, 2021년을 기점으로 에너지의 전력화가 본격적으로 이루어지면서 원자력 발전 증가가 요구되고 있다. 세계 원전의 현황과 추이, 전망에 대해서 살펴보자.
(1) 원전의 현황과 추이
원전은 2023년 전체 전력의 9%정도를 점유 중이며, 발전량은 미국, 중국, 프랑스 순이다. 3국 합산 전체 원자력 발전량의 절반 이상(58%)을 차지한다.
- 국가 별 원전 비중은 프랑스, 슬로바키아, 우크라이나(추정)가 60%를 상회한다. 구소련의 영향을 받은 동유럽 국가들의 원전 비중이 높은 것이 특징적.
- 1인당 원전 발전량은 핀란드, 프랑스, 스웨덴, 대한민국 순이다.
▶현재 총 413기 가동 중, 25기는 가동 중단, 59기는 현재 짓고 있다.
이 중, 60%는 30년 이상 가동되고 있으며, 30%는 40년 이상 운영 중이다.
- 전 세계 원자력 운영 용량은 371.5GW(e).
- 총 용량 61.1GW(e)인 원자로 59기가 현재 건설 중에 있다.
- 가동 가능 원자로로 산출된 필요 우라늄은 약 6만 7천 톤. 원자로 1기 당 연간 약 154톤의 우라늄이 요구된다.
▶ 전체 원자력 발전 용량은 2030년까지 약 12% 증가하고 2050년까지 두 배 이상으로 증가할 것으로 예상
≫ 그럼 왜 하필 '원자력 발전' 인가? 원전의 경제성에 대해 알아보자.
(2) 원전의 경제성
- 원전의 원료인 우라늄은 발생 에너지양의 측면에서 다른 발전용 연료를 압도한다. 1kg당 발생 에너지를 비교하면 석탄과 천연가스가 각각 30~40MJ, 원유가 45MJ 가량인 반면 우라늄은 390만 MJ 수준이다. 전통 화석 에너지 대비 1만 분의 1의 양으로도 같은 발전량을 만들 수 있다. 핵폐기물 처리라는 부담에도 불구 원전이 지금까지 운영되어 오고 있는 이유 중 하나도 압도적인 발전량에 비해 폐기물의 부피가 그리 크지 않기 때문이다.
- 주요 전력원 중 원전의 LCOE(Levelized Cost of Energy, 균등화 발전비용)가 가동률에 가장 민감하다.
원전은 건설 비용과 자본 비용을 합한 높은 고정비에 반해 낮은 운영 비용으로 인해 원자력 발전소의 평균 비용은 생산량 증가에 따라 크게 하락하는 특징이 있다. 이에 따라 발전소의 가동률을 높게 유지하려는 노력이 지속되어 왔고, 현재 세계적으로 원전의 가동률은 80~90% 이상으로 상향 안정화되어 있다.
3. 원자력 발전의 기초 개념
(1) 원전의 원리
원전(Nuclear Power)은 핵력(Nuclear Force)에 의한 원자핵 결합 에너지(Binding Energy)를 원천으로 하는 발전원이다. 원자력 발전은 크게 핵분열로와 핵융합로로 구분할 수 있다. 핵융합로는 궁극의 에너지원으로 평가받고 있지만 아직 개발 및 상용화 중이라, 일반적으로 원자로 하면 핵분열로를 의미한다.
중성자가 원자와 충돌 후 원자는 일부 추가적인 중성자로 분열되는데, 이렇게 방출된 중성자는 다른 원자와 충돌하여, 연쇄적인 핵분열을 일으킨다. 연쇄 반응에서 원자의 결합은 많은 양의 에너지를 열로 방출한다. 생성된 열은 일반적으로 냉각재를 통해 원자로에서 제거되는 동시에 전기 생산을 위한 터빈을 구동하게 된다.
(2) 원전의 원료
우라늄은 가장 무거운 원소 중 하나로, 지구 표면에서 평균 2.8ppm의 농도로 자연적으로 발생하는 원소이다.
지구 표면에서 발견되는 천연 우라늄은 U-238과 U-235의 두 가지 동위원소가 혼합되어 있는데, 이때 U-235가 특정 조건에서 쉽게 쪼개져 많은 에너지를 생산할 수 있기 때문에 중요하다.
≫ 이러한 우라늄은 어떤 과정을 거쳐 원료로 이용될까?
우라늄은 채굴과 제분, 전환, 농축, 연료 제조, 재처리 등의 과정을 거치며, 우라늄 채굴에서 시작하여 핵폐기물 처리로 끝난다. 먼저 전공정은 원자로에 사용할 우라늄을 준비하기 위한 과정이고 사용된 연료는 생산된 폐기물이 처리되기 전에 임시 저장, 재처리, 재활용을 포함한 일련의 단계를 후공정으로 볼 수 있다.
아래는 정리한 모식도이다.
더 자세한 과정은 아래 접어두기를 참고!
● 우라늄에서 핵분열에 이르기까지 과정
- 우라늄 광석은 먼저 광산에서 채굴된다.
- 채굴된 원광은 미세한 입자로 부서지는 분쇄 과정을 거친다.
- 화학적 처리 과정을 통해 우라늄 성분만 남기고 불순물을 제거한다.
- 이렇게 정제된 우라늄은 산화우라늄(U3O8) 형태로 가공되며, 옐로케이크라는 이름으로도 불린다. 천연 우라늄은 약 99.29%의 U-238과 0.71%의 U-235를 포함하고 있다.
- 산화우라늄에 불소(F)를 첨가하여 화학 결합을 유도하면, 산소가 불소로 대체되며 육불화우라늄(UF6)이 생성된다.
- 생성된 육불화우라늄을 약 섭씨 80~90도로 가열하면 기체 상태로 변환된다.
- 기체 상태의 육불화우라늄을 가스 원심분리기에 주입하여 초고속으로 회전시키면, 가벼운 U-235가 상부로 분리되는 방식으로 우라늄이 농축된다.
- U-235의 농축도가 3~5%에 이르면 저농축 우라늄(LEU)으로 분류되며, 액체 상태의 육불화우라늄 형태로 수출된다. 한국은 테넥스와 유렌코 등의 업체에서 이러한 LEU를 수입한다.
- 수입된 액체 육불화우라늄(LEU)은 이산화우라늄(UO2) 분말로 재변환된다. 이를 건식 재변환이라 하며, 기화된 LEU가 고온의 수증기 및 수소 가스와 반응하여 UO2 분말이 생성된다.
- UO2 분말은 담배 필터 크기의 원통 모양으로 압축 성형된 후 섭씨 1,750도의 고온에서 열처리된다. 이후 표면 연삭 과정을 거쳐 반들반들한 도자기와 비슷한 외관을 가진 소결체(펠릿)로 완성된다. 펠릿 하나의 무게는 약 5.2g이며, 직경은 8mm, 높이는 10mm 정도이다.
- 완성된 펠릿은 지르코늄 재질의 금속 핵연료봉에 가득 채워진다. 핵연료봉은 출하 후 원자로에 사용될 준비가 완료된다.
- 원자로에 삽입된 핵연료봉은 핵분열 반응을 통해 전기를 생산하는 데 활용된다.
▶ 여기서 우라늄 농축단계가 가장 중요하다.
천연우라늄에는 우라늄 235의 함유량이 약 0.8%에 불과하다. 이 비율을 높여야 의미 있는 원자력 발전을 위한 연료로 사용할 수 있게 된다. 과정은 이렇다. 먼저, 천연 우라늄 원광석에서 불순물을 없애 우라늄산염(옐로케이크)을 만든다. 이를 한번 농축하기 위해 육불화우라늄(UF6)이라는 기체로 전환한 뒤 우라늄 농도를 5~21%(보통 4~5%가 되어야 사용 가능)까지 높인다.
전 세계 우라늄 농축 시설은 13개 국가가 보유하고 있으며, 핵무기 보유국가에 시설의 90%가 몰려 있다. 여기에 독일, 일본, 네덜란드가 주요 농축 시설 보유국이다.
(3) 원전의 구성
1) 연료(Fuel) 봉
대부분의 원자로는 막대 형태의 연료봉을 사용한다. 연료는 직경 약 8.5mm, 높이 11~14mm의 원통형 이산화우라늄(UO2) 소결체로 구성된다. 국내 원자로에서는 지름 약 9.5mm, 길이 4m의 피복관에 장전하여 사용한다. 1,000MW급 PWR 원자로 기준으로 약 1,800만 개 이상의 펠릿이 포함된 51,000개의 연료봉이 장착된다.
2) 감속재(Moderator)
감속재는 원자로에서 생성되는 중성자의 속도를 줄여 핵분열 반응을 촉진하는 물질이다. 중성자 감속 효과가 뛰어나고 흡수 면적이 작은 물질이 적합하며, 주로 수소, 중수소, 탄소를 포함한 물(경수)/중수 또는 흑연이 사용된다.
3) 냉각재(Coolant) / 냉각펌프 / 가압기
냉각재는 핵분열 과정에서 발생하는 열을 흡수하고 운반하여 증기를 생성하는 열 전달 매체 역할을 한다. 동시에 과열로 인한 핵연료봉의 용융을 방지하는 기능을 한다. 경수로 및 중수로에서는 물이, AGR에서는 이산화탄소, HTGR에서는 헬륨, 고속 LMFBR에서는 나트륨 등이 냉각재로 사용된다. 냉각재 펌프는 냉각재의 순환을 담당하고, 가압기는 압력 유지의 역할을 수행한다.
4) 제어봉(Control Rod)
제어봉은 원자로 내 핵분열 반응 속도를 제어하는 장치다. 카드뮴, 하프늄, 붕소 등 중성자 흡수 물질로 제작되며, 원자로 출력 조절에 필수적이다. 출력을 높이기 위해서는 제어봉을 원자로에서 빼내고, 출력을 낮추기 위해서는 삽입하는 방식으로 중성자 수를 조절한다.
5) 증기 발생기(Steam Generator)
원자로에서 발생한 열을 활용해 2차 냉각수의 온도를 상승시켜 증기를 생성하는 장치다. 이는 가압 경수로 계통의 일부로서 자동차 라디에이터처럼 열 교환기 역할을 수행한다.
6) 격납고(Containment Building)
격납고는 원자로를 보호하고 방사선의 외부 누출을 방지하기 위해 철근 콘크리트로 지어진 건물이다. 외부 충격이나 자연재해에도 안전하게 원자로를 보호하는 중요한 역할을 한다.
(4) 원전의 종류
원전, 혹은 원자로를 분류하는 법으로 세대별, 반응별, 냉각재별 등 다양한 방법이 있다. 세대별로 나누면 개발 시점과 안전성에 따라 1세대~4세대로 나뉜다. 1970년 이후인 2세대부터 본격적인 상업용 원자로가 등장했고, 1990년부터 본격적으로 2세대에 비해 안정과 경제성을 끌어올린 3세대 원자로가 나타났다.
▶ 원전은 핵분열 시 발생되는 중성자의 에너지에 따라 고속 증식로와 열중성자로로 나눌 수 있다. 열중성자로 중에서 감속재 종류에 따라 경수로, 중수로, 흑연로로 나눌 수 있다. 냉각재의 비등 여부에 따라 가압형 원자로, 비등형 원자로 등으로 나누기도 한다.
▶ 현재 PWR, BWR, PHWR을 비롯 크게 6종류의 원전이 가동 중이다. 이중 압도적인 비중을 차지하는 것은 가압경수로(PWR)이며 그 뒤를 비등수형(BWR), 가압중수로(PHWR)가 잇고 있다. 그밖에 비중이 크지는 않지만 흑연을 감속재로 쓰는 가스냉각형 원자로(AGR), 감속재가 따로 없이 액체 금속을 냉각재로 사용하는 고속증식로(FBR)가 존재한다.
→ 가장 비중이 큰 3가지 원전을 자세히 알아보자
1) PWR: Pressurised Water Reactors, 가압경수로
현재 상업 원자로의 약 70%는 가압경수로(PWR)이다. 이 방식은 고압의 물을 냉각재와 감속재로 활용하며, 안전성과 신뢰성이 높다는 특징이 있다. PWR은 크게 원자로 노심을 통과하는 1차 냉각 회로와 터빈을 구동하기 위해 증기가 발생하는 2차 회로로 나뉜다. 1차 회로에서는 높은 압력을 가해 물이 끓지 않도록 하며, 2차 회로에서는 낮은 압력으로 물이 비등하여 터빈을 회전시키고 전기를 생산한다.
2) BWR: Boiling Water Reactors , 비등수형 원자로
BWR 원자로는 물을 냉각재 및 감속재로 사용하되 PWR과는 달리 압력을 가하지 않는다. 이로 인해 원자로 내부에서 물이 끓으며 발생한 증기가 직접 터빈을 회전시켜 전기를 생산한다. BWR은 경수로에 비해 열효율이 높으나, 비정상 상황에서 증기압이 급상승하면 원자로 출력이 과도하게 증가하여 사고로 이어질 수 있다. 비상시에는 증기압을 방출해야 하며, 이는 방사능 누출로 연결될 수 있다. 후쿠시마 원전 사고 당시 폭발한 원자로가 BWR이었다.
3) PHWR: Pressurised Heavy Water Reactors, 가압중수로
PHWR은 캐나다에서 개발된 CANDU 원자로로 알려져 있다. 가압경수로와 유사하지만 냉각재 및 감속재로 중수(Heavy Water)를 사용한다는 점이 다르다. 중수는 중성자 흡수율이 낮아 중성자 감속에 유리하므로 농축되지 않은 천연 우라늄을 연료로 사용할 수 있다. 또한 운전 중 연료 교환이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 연료 교환 장치로 인한 비용 부담과 사용 후 핵연료의 양이 많아지는 단점이 있다. 우리나라의 월성 원전이 CANDU 방식이다.
4. 차세대 원전과 SMR의 등장
1. 4세대 원자로 (Gen-IV)
최근에는 4세대 원자로의 개발이 활발하다. 4세대 원전에서는 고속증식로가 본격적으로 쓰이게 되는데, 기존에는 열중성자로 감속재가 쓰였다면, 고속로는 감속재 자체를 사용하지 않는다. 감속재가 들어가지 않아 핵분열 효율은 떨어지지만 사용 후 연료를 재처리 활용할 수 있기 때문에 향후 기대가 되는 기술이다. 고속증식로의 종류에는 소듐/납가스냉각로가 있고 열중성자로는 초고온 가스/용융염/초임계가스로가 대표적이다.
▶ 대표적으로 소듐냉각 고속로(SFR), 초고온가스로(VHTR), 가스냉각고속(GFR), 용융염로(MSR)가 있다.
자세한 설명은 접어두기를 참고!
1) 소듐 냉각로 (SFR)
소듐 냉각 고속로(SFR)는 냉각재로 액체 소듐을 사용하는 원자로이다. 빌 게이츠가 투자한 테라파워(TerraPower)가 상업화를 추진하면서 관심을 받고 있다. SFR은 높은 효율과 빠른 냉각 능력을 자랑하지만, 소듐 누출 시 높은 반응성 등 안전성 문제가 해결 과제로 남아 있다.
2) 초고온 가스로 (VHTR/GCR)
초고온 가스로는 헬륨을 냉각재로 사용하며 900도 이상의 고온을 견딘다. 이로 인해 고온 수전해가 가능하며 이산화탄소 배출 없이 그린 수소 생산과 연결될 가능성이 커 주목받고 있다. 방사능 누출 위험이 낮으며 폭발 가능성이 없는 원자로로, 피동 안전장치에 기반해 냉각이 이루어진다. 흑연 감속재는 열전도율이 높아 유사시에도 열 방출이 용이하다.
3) 가스냉각로 (GFR)
GFR은 냉각재로 헬륨을 사용하는 고속로이다. 헬륨은 불활성 기체로 중성자 감속에 효과적이지만, 열전달 능력이 떨어지므로 고압 상태에서 작동한다. SFR과 개념적으로 유사하나 냉각재로 가스를 사용한다는 점이 다르며, 초고온 가스로(VHTR)와 동력 계통을 공유하기도 한다. 다만 붕괴열을 흡수하는 완충 장치가 없기 때문에 피복관의 기밀성이 중요하며 능동 잔열 제거 장치가 필요하다.
4) 용융염로 (MSR)
MSR은 용융염(Molten Salt)을 냉각재로 활용하는 원자로다. 연료는 UF4 형태로 녹여 플루오르화염(NaF)에 투입된다. 용융염은 우라늄과 함께 액체 상태로 원자로부터 열교환기까지 순환하며, 높은 열 제거 효율을 보인다. 고온에도 안정적인 상태를 유지하고 폭발 위험이 없으며, 크기가 작아 소형 원자로 개발에 적합하다는 특징이 있다.
2. SMR: 더 작게, 더 안전하게
(1) SMR이란?
SMR은 소형원자로(SMR, Small Modular Reactor)를 말한다. 300 MWe 미만의 작은 출력을 내지만 기기들을 일체화시켜 작은 규모로 초기 투자 비용도 작고 그만큼 안정성이 높고 분산형 발전에도 적합한 원자로이다. 그 밖에 1) 낮은 추가 투자비, 2) 그린에너지의 연계, 3) 수소 생산 장치로의 가능성, 4) 안전성, 핵확산 저항성에서 가능성을 인정받고 있다.
▶ SMR은 원자로에 따라 여러 종류로 나뉜다. 뉴스케일이 개발 중인 경수로형 SMR은 물을 냉각재로 사용하는, 기존 원전을 활용한 SMR이다. 빌게이츠가 투자한 테라파워로 유명한 SFR은 소듐을, 엑스에너지는 헬륨을 사용하는 고온가스로(HTGR 혹은 VHTR)를 채택하고 있다. 삼성중공업은 용융염을 이용하여 초소형 원자로를 선박 엔진에 이용하는 방법을 연구하고 있다.
(2) SMR의 시장성
미국 에너지부에 따르면 SMR 시장은 2050년까지 500~1,000기로 확대될 것으로 전망된다. 기당 건설비용 50억 달러를 가정하면, 2,500억 달러~5,000억 달러 시장이다. 노후 석탄 발전소를 대체할 전원으로 부각되고 있다.
다만, 풍력, 태양광보다 단가 경쟁력이 크지 않은 만큼 최근 원전과 함께 그린에너지로 분류된 천연가스와 기저 전원으로서의 경쟁이 예상된다. 특히 SMR은 재생/그린에너지의 간헐성을 보완하고 그린 수소 생산 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
원자력 산업의 기본과 그 동향을 파악하는데 너무 좋은 보고서입니다.
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