미래에너지와 원자력발전

미래에너지와 원자력발전(이관철, 프린스턴대학 물리연구소)

서 론 원유가격이 배럴당 50달러를 육박하는 현 상황은 이제까지의 원자력발전에 대한 평가가 더 이상 올바르지 않게 되었다는 것을 알려주고 있다. 특히 최근 수년 동안 일어난 변화는 과거 수십 년 동안 원자력산업을 사양산업이라고 생각했던 일반적인 인식에 대한 전환을 가져오고 있다는 많은 증거를 낳고 있다. 이 글은 화석 연료와 원자력 및 대표적 대체에너지들에 관한 현황과 전망을 정리하여 원자력발전의 역할과 미래의 에너지 정책에 대한 대안을 토의하려는 목적으로 쓰였다. 화석 연료는 고갈되고 있다(석유와 천연가스) 지난 2004년 4월, 많은 유럽의 연구소와 대학들로 구성되어 있으며 미국 출신의 콜린 캠벨이 이끌고 있는 피크석유연구회(aspo)의 한 회의에서 알리 바크티아리 석유와 에너지 분석가는 “올해가 가기 전에 우리는 원유가가 배럴당 50달러가 되는 것을 보게 될 것이다”는 실로 용감한 발언을 하였다. 당시로서는 우리나라 석유분석가들의 경우 배럴당 26달러 수준에 머물 것이라는 예상을 할 때였으므로 비웃음을 살 만한 발언이었다. 그러나 그 예언은 적중하였다. 그렇다면 그가 그런 과감하지만 정확한 예언을 할 수 있었던 근거는 어디에 있었던 것일까? 이를 위해 석유생산첨두치(peak oil) 이론을 살펴볼 필요가 있다. 매장량이 한정돼 있기 때문에 시추시설을 증가시켜도 언젠가는 생산량이 증가에서 감소로 돌아서는 첨두치시점이 나타날 수밖에 없다는 이론으로, 이는 미국 내의 경우만 놓고 분석했을 때 1955년에 첨두치를 기록할 것이라는 예언이 적중되는 사례를 남겼었다. 이를 세계석유 매장량에 적용한 결과 1995년에 첨두치를 기록하리라 예상했지만 이 예상은 빗나가게 된다. 이로 인해 지금도 많은 사람들이 이 이론이 앞으로도 맞지 않을 것이라고 생각하고 있다. 양치기 소년의 우화처럼 한 번 속은 이론에 대해서는 불신을 하게 된 것이다. 그러나 1995년을 예상한 것이 빗나간 이유는 1970년대 말과 1980년대 말에 시추기술의 발달로 발생한 매장량의 증가가 있었기 때문이었다. 원유가에 대한 배럴당 50달러의 예언은 1990년대 이후 별다른 매장량의 증가가 없다는 점을 고려하여 나날이 개정하고 있는 이 석유생산첨두치 이론을 바탕으로 하고 있다. 스웨덴의 웁살라 대학 석유고갈 연구그룹이 최근 발표한 그래프를 보면 2006년과 2007년 사이에 첨두치가 발생할 것이라고 예측하고 있다. 2004년 11월 현재시점으로 불과 15개월 후의 이야기인 것이다. 이를 놓고 아무도 대책을 세우지 않는다면 세계경제의 목을 치는 단두대의 칼날이 무방비 상태에서 떨어지게 될 것이라는 의견을 피크석유연구회의 보고서에서 찾을 수 있다. 첨두치 이론을 떠나 다소 간단하게 현재의 매장량을 현재의 소비량으로 나누는 방법으로 화석연료의 고갈 시점을 계산해보면 석유의 경우 최근 10년 동안 총매장량과 일년 동안의 소비량의 비율은 감소추세를 유지하여 왔다. 천연가스의 경우도 마찬가지여서 현재와 같은 추세로 생산, 소비할 경우 석유는 40년, 천연가스는 60년 사용분량이 남았다는 것이다. 최근 10년 동안의 매장량/소비량의 비율을 보면 10년 전에 석유는 약 44년, 천연가스는 약 66년 분이 남았다고 했으니 실제로는 그 감소추세가 예상보다 약간 느린 편이라고 할 수 있다. 다시 말하면 꼭 40년과 60년 후에 석유와 천연가스가 전부 고갈될 것이라고는 할 수 없고 실제 고갈시점은 그 보다 길게 늘어날 것이라는 것이다. 여기에는 매장량의 추가적인 증가와 같은 긍정적 요인도 있으나 중국을 포함하여 전 세계 개발도상국들의 산업화에 의한 소비수요의 증가라는 피할 수 없는 부정적 요인도 있으므로 분명 수십 년 내에 인류는 석유와 천연가스의 고갈로 인하여 심각한 에너지 문제에 봉착하게 될 것이 분명하다. 석탄의 경우는 약 200년 정도 사용할 분량이 매장되어 있다. 인류가 아무 대책 없이 에너지를 소비할 경우 60년 후에는 석탄시대로 전환하여야 한다는 것이다. 미국 물리학회의 권고(원자력을 적극 활용하라) 미국 물리학회의 2004년 7월호 회보에서 다룬 세계 에너지의 장기적 보급안에 의하면 1999년부터 2020년까지 인류의 에너지 소비량과 이산화탄소 배출량은 각각 59%와 60%씩 증가할 것이며, 이의 원인인 인구의 증가는 60억에서 75억 명으로 증가할 것이라고 예측하고 있다. 미국물리학회 보고서는 다음과 같은 결론으로 정치인들에게 경고하고 있다. 세계의 주요 에너지 공급원인 화석연료는 수십 년 내에 유용성이 감소할 것이다. 대중과 정책 결정자들이 이를 인식하여 태양에너지와 원자력에너지를 장기 에너지원으로 활용하는 것을 포함, 에너지 고갈에 대처하는 정책을 시급히 세우는 것이야말로 최대의 중요성을 갖는 일이다. 그리고 위의 원자력에너지는 기존의 원자력발전뿐 아니라 증식로나 미임계로와 같이 수백 년까지 유용성을 늘릴 수 있는 핵분열에너지와 대용량의 유일한 대체에너지인 핵융합에너지의 활용을 포함하고 있다. 태양력과 풍력 태양력의 경우 현재 상용화된 고효율의 단결정 실리콘 태양전지를 기준으로 하여 원자력 발전소 1기에 해당하는 전기 생산을 위해서는, 연간 일조량이 지역별로 다르고 전지의 수명을 얼마로 하느냐 등 변수가 많지만 대략 25조~50조의 설치비로 서울시 면적의 절반인 300평방킬로미터 이상의 면적을 가진 집열판이 요구되는데 이를 KWh당 비용으로 환산하면 현재의 전기료의 5~10배 정도라는 계산이 나온다. 태양전지의 효율은 최근 10여 년 동안 두 배 정도 증가했다. 앞으로 50년 후엔 한계치인 현재의 두 배까지 증가할 가능성도 있다. 풍력에 대한 별도의 계산은 하지 않았으나 이와 같이 현재까지의 기술로는 태양력과 풍력을 주 전력원으로 전환한다는 것은 무모한 시도가 될 것이라는 결론이다. 또 태양력과 풍력은 화력과 원자력발전에 비해 일조시기와 기후조건 등에 의존하는 비고정적인 에너지원이기 때문에 주 전력원으로 사용하려면 축전기와 같은 에너지 저장시설이 요구된다. 납축전기와 같은 에너지 저장시설은 환경오염을 야기하는 공해물질을 배출할 가능성이 높다. 그것을 크게 줄이기까지는 상당한 시간이 필요할 것으로 보인다. 그러나 현재 인류는 사용에너지의 90%를 화석연료에 의존하고 있다. 수십 년 내에 화석연료의 고갈이라는 위기를 맞는다고 볼 때 태양력과 풍력과 같은 자연적인 재생에너지원은 앞으로 나날이 그 가치가 상승하는 분야임이 틀림없다. 그러므로 자연조건이 유리한 서해안이나 도서지방과 같이 고비용의 송전시설이 요구되는 경우 독립적으로 모듈화된 보조적인 전원으로서의 태양력과 풍력은 지금 당장부터라도 개발에 박차를 가할 가치는 있다. 핵융합 발전 반감기가 수만 년이 넘는 방사성 핵분열 생성물을 만들어내는 핵분열반응(원전의 에너지원)에 비해 바닷물에서 얻을 수 있는 수소의 동위원소들을 비롯한 가벼운 원자핵들이 일으키는 핵융합 반응(태양의 내부에서 항상 일어나고 있다)은 안정한 헬륨 원자핵과 다루기 쉬운 중성자를 발생시키고 에너지 발생 효율이 높으므로 인류가 안고 있는 에너지와 환경의 문제를 해결해 줄 진정한 대안이라고 할 수 있다. 핵융합 연구는 이제 50년의 역사를 갖게 되었으나 아직도 태양에 비교되는 고온 고압의 상태(플라즈마라 함)를 만들고 가둘 수 있는 장치를 만들어야 한다는 기술적 문제를 해결하지 못한 상태이다. 핵융합 연구의 커다란 걸림돌은 건설해야 할 연구 장치에 들어가는 비용이 어마어마하다는 것이다. 인류는 이 장애를 극복하기 위해 20여 년 전부터 국제적인 핵융합협동연구(ITER)를 제안하기 시작하였고 현재 건설지를 놓고 유럽과 일본이 유치전을 벌이는 가운데 작년 초 중국과 미국에 이어 동등한 정도로 한국도 가입이 이루어진 상태이다. 이는 소수의 선구자적인 국내외 한국인 핵융합 연구자들의 업적으로 이루어진 최초의 중앙과 외각 모두 초전도 코일로 제작되는 핵융합로(대전 기초과학연구소의 KSTAR)의 건설을 국제적으로 인정받은 결과이다. 다시 말해 한국은 과거의 열악한 여건에도 불구하고 현재 유리한 입지를 마련하였으나 이를 발판으로 성장해 나가기 위해서는 앞으로도 연구자들의 노력과 국가적 지원이 계속적으로 요구된다. 그렇다면 과연 언제쯤 핵융합로 개발이 성공하게 될 것인가? 낙관적인 학자의 경우 앞으로 35년 후를 거론하기도 한다. 그러나 대략 35년에서 50년 사이에 개발이 이루어진다고 해도 전력 생산의 대부분을 핵융합 발전으로 대체하기까지는 추가기간이 더 소요될 것으로 보인다. 원자력발전의 전망 그렇다면 한국에서의 원자력발전을 살펴보자. 중동의 원유가가 폭등하였던 70년대의 소위 석유파동이 있은 후 78년 고리 1호기의 상업운전을 시작으로 26년이 지난 현재, 16기의 원전이 전력생산의 40%를 차지하고 있다. 90년대 이후 원자력이 사양산업의 이미지를 갖게 된 이유는 크게 두 가지로 요약할 수 있을 것이다. 첫째는 경제성의 측면에서 천연가스 등을 이용하는 열병합발전에 비해 상대적인 우월성을 상실했다는 것과, 둘째는 주민들이 환경에 보다 민감해 지면서 아무리 적은 방사능이라도 혐오하게 되는 님비(NIMBY) 현상이 두드러 졌다는 점이다. 그러나 원유가가 90년대 이후에 비해 두 배에 가깝게 폭등한 현재, 경제성 측면에서 원자력은 우월성이 있다는 재평가를 받아야 마땅할 것이다. 화석 연료의 가격은 이미 과거의 두 배가 되었을 뿐 아니라 앞으로도 첨두치 이론에 따른다면 첨두치가 발생하는 시점에서 제어불가능 상태에 도달할 것으로 예측된다. 이미 이러한 급속한 유가 상승이 일어나기 수년 전부터 적극적인 원자력증대 계획을 추진해온 선진국들이 있다. 일본과 핀란드가 대표적이다. 미국에서도 2003년 12월에 메사츄세츠공대(MIT)에서 원자력발전이 지구온난화를 막을 녹색 장치로서의 역할을 할 것이라는 보고서가 작성되었으며, 2002년부터 원자력의 르네상스라는 말이 나올 정도로 국민들의 지지도도 높은 상태이다. 국제원자력기구(IAEA)는 유럽을 중심으로 국제원자핵대학(WNU)을 설립하기로 결정하여 원자력산업의 중흥을 꾀하고 있다. 이러한 국제적 추세를 고려해 볼 때 원자력이 사양산업이라는 견해는 수정되어야 할 것이다. 원자력발전의 활성화를 위한 과제 현재 우리나라에서 원자력발전을 활성화시키는 데 있어 걸림돌이라고 할 수 있는 현상은 중저준위 및 사용 후 핵연료와 같은 폐기물의 처리 시설 건립이다. 한국수력원자력주식회사(이하 한수원)가 건설계획하는 방사능 폐기물처리 시설인 원전센터의 위치 선정이 직면한 문제이다. 그동안 전북 부안에서 진행된 찬반논란의 와중에 주민들이 당한 고통은 커다란 사회문제가 된 바 있다. 이 과정에서 원전센터 건설을 반대하는 주민들이 일부 반핵환경단체로부터 “핵은 죽음이다”, “핵폐기장이 건설되면 풀 한포기 안 나는 죽음의 땅으로 변한다”는 식의 잘못된 인식을 얻게 되면서 반대운동이 더욱 격렬해졌다. 보다못한 서울대학교의 일부 교수들은 원전센터를 관악산에 유치하자는 제안을 발표하기에 이르렀다. 사실 필자는 정부가 원전센터 건립을 양성자가속기 유치와 연계하여 추진하기로 결정한 이후 부안에서 진행된 상황을 남다른 관심을 가지고 지켜보았다. 이를 통해 정부가 원전센터 건립을 추진하는 과정에 여러가지 문제가 있음을 알게 되었다. 첫째, 원자력과 방사능에 관한 지식의 홍보가 부족했다. 이 때문에 원자력과 방사능에 대한 지식이 거의 없는 주민들은 환경단체들의 비과학적인 주장에 쉽게 동조할 수밖에 없었다. 다행스럽게도 그 이후 올바른 정보가 보급되면서 주민들이 환경단체의 주장에 문제가 많았다는 점을 점차 깨닫게 되었지만, 이미 때가 늦었다. 둘째, 원전센터 건설장소를 설정하는 과정이 비민주적이었다. 부안의 경우, 주민들이 초기에는 “핵은 곧 죽음이다”는 잘못된 인식에 기초해서 반대운동을 전개했었다. ‘방사능의 폐해’가 원전센터 건설반대의 이유였던 것이다. 그러나 시간이 지나면서 그 반대 이유가 달라진다. 주민의 의사를 무시하고 장소를 선정하려했다는 점을 반대의 이유로 내세우기 시작한 것이다. 셋째, 양성자가속기가 건립되면 지역개발에 크게 기여할 것이라는 점을 홍보하지 못했다. 양성자가속기 연구단지가 지역에 들어설 경우 지역발전에 적지 않은 기여를 할 수 있다. 연구단지 자체로도 지역발전 효과가 있을 뿐 아니라 그것을 지원하기 위한 제반 시설이 동시에 들어설 수 있기 때문이다. 그러나 당시 주민들 사이에는 양성자가속기가 핵무기 개발을 위한 시설이라는 잘못된 정보가 퍼져 있었다. 결 론 향후 약 100년을 내다 볼 때 화석 연료의 고갈로 인한 에너지 위기와 궁극적인 대체에너지가 개발되어 에너지와 환경의 문제가 완전히 해결될 수 있는 시기 사이에 상당한 공백기가 찾아 올 가능성이 높다. 이에 대처하는 기본 원칙은 에너지원의 다양성에 있다고 생각한다. 여기에는 각종 전력원 뿐 아니라 디메틸에테르(DME)와 같은 대체 자동차연료(석유, 천연가스 혹은 석탄으로도 만들 수 있는 가능성이 있다)와 수소를 연료로 사용할 수 있는 연료전지(fuel cell) 자동차 등을 포함하여 모든 에너지의 효율적 활용을 추구하여야 한다는 것이다. 여러 가지 자료와 근거를 종합해 볼 때 천연자원이 부족하고 비교적 발달한 기술 인프라를 가지고 있는 국가에서는 앞으로 닥칠 공백기의 에너지 문제에 대한 대응책으로서 원자력발전을 집중 검토할 필요가 있다. 특히 우리나라의 경우 원자력발전과 병행한 연구개발에 따른 원전 설계 건설의 기술 축적은 북한에 한국형 경수로를 건설해 줄 수 있는 단계에 왔고, 핵연료제조 기술은 선진국에 역수출하는 수준이며 원전 안전성 평가와 방사능 방호기술 등을 개발하고 있다. 원자력발전은 화력발전에 비해 발전단가에서 원료에 대한 비율이 상대적으로 낮아 원전의 건설과 운영에 소요되는 비용은 원유수입과 같이 단순히 해외로 빠져나가지 않는다. 즉 원전의 건설과 운영, 핵연료의 제조, 안전유지 등과 같이 국내경제에 포함되어 경제의 활성화와 일자리 창출에 기여한다는 장점을 가지고 있다는 것이다. 또한 앞으로 통일 이후의 남북한 지역의 에너지 공급을 고려해 볼 때도 새로 건설하여야 할 원자력 발전소의 수는 많아진다는 것을 알 수 있다. 원전 또한 사람이 만들고 운영하는 장치이기에 잘못에 의한 위험이 발생할 가능성은 언제나 존재한다. 그러므로 인재(人災)를 방지할 수 있도록 감시와 견제의 역할을 하는 환경단체의 활동은 필요하다. 이러한 활동이 문명의 이기들을 모두 버리고 자연으로 돌아가자는 주장이 아니라 과학적인 근거로 보다 나은 환경을 추구하는 운동이라면 그리고 정부와 한수원이 투명한 자세로 적극적인 홍보를 계속한다면 양측의 대화를 통한 의견 수렴이 이루어질 수 있다고 본다. 우리의 발달된 기술로 30여 년 전부터 선진국들이 만들었던 어떤 방사능 폐기물 처리시설보다 더 안전한 원전센터를 건립할 수 있다는 것이다. 앞으로 불과 10년, 20년 후부터 화석 연료의 고갈에 의한 현상은 현실로 나타날 것이다. 미래의 변화에 미리 대처하는 국가만이 위기를 극복하고 살아남을 것이다. 원자력에너지는 고도의 기술집약적 산업이다. 현재 지구상에서 원자력을 이용할 수 있는 나라들은 유럽의 국가들을 제외하면 미국과 일본, 캐나다 그리고 한국 등이 있을 뿐이다. 이 점을 국민과 정치인들이 인식하고 미래를 생각하는 안목을 갖기를 바라는 바이다. 이관철 / 미국 프린스턴 대학 플라즈마 물리연구소 방문연구원