고속로, 황금알을 낳는 거위인가?

[핵연료 재처리 진단과 대안 ⑥]

작년 말 UAE에 원전수출이 확정된 후, 원자력산업은 한국 경제의 새로운 돌파구가 된 것처럼 과대포장되어 정치적으로 이용되고 있다. 계약당시 소수 언론사를 제외하고는 한국의 언론들은 제대로 된 분석과 비평 기능을 실종한 듯 했다. 계약당시 흘러나왔던 파병설은 최근의 특전사 파병으로 확인되었지만 여전히 계약서는 공개되지 않은 채 저가공급은 물론 고정가격 계약, 완공연기에 따른 손해배상 등 불리한 조건으로 계약을 체결했다는 소식이 해외에서 들려오고 있다.

한편, 2014년에 종료되는 한미원자력협정을 연장하기 위한 실무 협상테이블이 시작된 후로 '파이로 프로세싱'이라는 새로운 재처리 방식으로 핵확산 걱정이 필요 없다는 주장에서부터 '핵주권론'까지 심심찮게 등장하고 있다.

한미원자력협정에서는 미국산 원전설비와 핵연료를 미국의 허가 없이 변형・가공할 수 없게 되어 있는데, 올 10월부터 시작한 차기협정 교섭을 통해 한국의 재처리 추진파는 '파이로 프로세싱'으로 재처리를 할 수 있도록 협정문을 개정하고 싶어 한다. 하지만 사용후 핵연료의 재처리는 핵무기원료인 플루토늄을 추출하기 때문에 국제적으로 매우 민감하다.

국내의 재처리 추진파들은 파이로 프로세싱이라는 새로운 재처리방식은 플루토늄을 단독으로 추출할 수 없으므로 핵확산에 연결되는 위험성이 적고, 재처리한 후의 우라늄도 재활용할 수 있어 경제성도 높다고 주장한다. 동시에 재처리와 떼놓을 수 없는 새로운 원전인 고속로를 개발하면 사용후 핵연료속의 우라늄자원의 재활용률을 더욱 높일 수 있으며, 거의 무한정의 자원을 얻을 수 있다고 말한다.

문제는, 이렇듯 특정 이해집단들의 주장과 잘못된 정보만 일방적으로 대중들에게 소개되고 있다는 것이다. <프레시안>은 이런 문제의식을 가진 장정욱 마쓰야마대 경제학부 교수의 주장을 8회에 걸쳐 연재한다. 장정욱 교수는 일본에서 재처리와 원전의 경제성을 연구한 학자다.

장 교수는 연재를 통해 1) '파이로 프로세싱' 재처리방식도 핵확산에 연결될 수 있다는 점 2) 사용후핵연료의 93～94% 재활용이 가능하다는 주장에 비해 사실은 플루토늄의 1～1.2%의 재활용에 불과하다는 점 3) 어떤 형태의 재처리라도 몇백조원에 달하는 막대한 비용이 필요하고 안전성이 보장되지 않는다는 점 4) 고속로 개발 역시 경제성과 안전성이 없으며, 홱확산에 연결된다는 점 등의 문제점을 짚어갈 예정이다. <편집자>

6. 고속로, 황금알을 낳는 거위인가?

핵분열이란 우라늄 같은 무거운 원소가 중성자에 의해 가벼운 원소로 붕괴하는 현상을 말하는데, 이 때 발생한 에너지 즉 열이 만든 증기로 터빈을 돌려 발전하는 것이 원전의 기본적인 구조이다.

이렇게 원전의 구조는 화력발전소와 비슷하나, 보일러 대신에 원자로가 있다는 점과, 사고발생시의 피해가 비교할 수 없을 만큼 커다는 점이 다르다. 그리고 원자로는 우라늄의 핵분열을 일으키는 중성자를 제어하는 장치라고 말할 수 있다. 참고로 수소 같은 가벼운 원소가 무거운 원소로 바뀔 때 생기는 에너지를 이용하는 것이 핵융합인데, 핵분열보다 더 큰 에너지가 발생하므로 원자폭탄보다 핵융합을 이용한 수소폭탄의 파괴력이 더 크다.

1940년대의 연구에서 일정이상의 속도의 [고속(Fast)중성자]를 이용하면, 핵분열물질인 아닌 우라늄238(238U)의 일부도 중성자를 흡수하여 핵분열 물질인 플루토늄239(239Pu)로 변한다는 점이 밝혀졌다. 반면, 중성자의 속도가 늦을수록 우라늄235의 (235U)핵분열이 약 400배나 일어나기 쉽다는 것도 확인됐다. 빠른 중성자를 이용하는 것이 한국원자력연구원이 개발하려는 [고속로]이다. 반면, 속도가 느린 열중성자를 이용하는 것이 현재 가동 중인 대부분의 원전(경수로)이다.

중성자의 에너지가 주위의 온도보다 클 때는 산란(散亂)하여 에너지를 잃게 되므로 속도가 감속된다. 원전(경수로)에서는 보통의 물(輕水) 즉 수소원자에 의해 중성자의 속도를 늦춘 [열(Thermal)중성자]로 핵분열을 일으킨다. 열중성자를 이용하여 핵분열을 유지하려면 천연우라늄을 최소 2% 정도 농축할 필요가 있다. 이와 같이 물은 감속재와 냉각재의 역할을 겸한다. 그러나 월성원전은 중수(重水)를 이용하고 있다.

고속로에서는 감속재가 필요없으므로 감속효과가 적은 냉각재의 선택이 중요하다. 냉각재로는 주로 나트륨(Sodium), 납, 수은 등의 액체금속 또는 가스가 이용된다. 핵연료는 우라늄과 플루토늄을 섞은 금속연료 또는 혼합산화물연료 등을 이용하나 금속연료의 효율성이 우월하다. 참고로, 1951년 12월, 세계최초의 원자력발전으로 200W의 전구 4개가 빛을 발하는데, 경수로가 아니라 고속증식(增殖)로의 실험로(EBR-1)에 의한 것이다.

미국이 경수로보다 감속재를 사용하지 않는 고속증식로의 개발에 적극적이었던 배경으로 잠수함의 동력원으로서 소형화의 필요성과 핵무기생산을 위해 플루토늄의 증식(Breeder)이라는 군사적 목적을 들 수 있다. 그러나 고속로는 실용화되지 않고 잠수함의 경우에도 경수로방식이 도입되었다.

증식이란 핵연료속의 소비된 핵분열성물질(주로, 239Pu)의 양에 비해 사용후 핵연료속의 생성된 핵분열성물질의 양이 많은 상태를 의미하는데, 이론적인 숫치는 1.24～1.29배정도이다. 일본의 고속증식로의 원형로인 몬쥬(もんじゅ, 28만kW)는 1.2이다. 원전(경수로)은 0.5～0.6정도로 증식율이라 하지 않고 전환율이라 불린다.

현재 국내에서 개발하려는 고속로는 나트륨냉각고속로(SFR)인데, 이 경우 핵무기원료인 239Pu을 증식하지 않고 연소시킨다는 의미에서 0.95정도를 가정하고 있다. 즉, 플루토늄이 약간 줄어드는 연소로(爐)라고 주장하고 있는 것 같다. 개발측은 비율이 0.6(Burner), 1(Break-even), 1 이상(Breeder)의 3단계의 고속로를 고려하고 있지 않을까 짐작되는데, 연소를 위한 전용로라면 보다 낮은 0.6정도가 타당한 주장이 될 것이다.

이처럼 재처리 추진파들은, 사용후 핵연료의 재처리에서 나오는 플루토늄을 고속증식로에서 핵연료로서 재활용하면 핵분열성물질의 양이 많아지는데, 이를 다시 재처리하여 반복 사용하면 핵연료에 대한 걱정이 없어진다고 주장하고 있다. 마치 황금알을 낳은 거위처럼 보이는데 과연 현실은 어떠한가?

고속증식로가 상용화되었을 때, 재처리로 고속로의 교환연료와 다른 고속증식로의 초기연료정도로는 사용될 양을 확보하는 [증식시간]이 중요하게 된다. 일본의 고속로 몬쥬의 경우에는 증식기간이 30～40년이며, 올 2월에 가동이 중지된 프랑스의 고속로 Phenix는 50～60년으로 추측된다. 몬쥬의 1.2이라는 증식률도 기술상의 실현 가능성에 근거한 것이 아니라, 이 정도였으면 하는 기대상의 계산에 지나지 않는다.

또 사용후 핵연료의 냉각기간, 재처리, 그리고 가공기간이 필요하여, 이 과정에서 핵분열성 플루토늄의 일부가 손실되는 것을 고려하면 적어도 80년은 필요할 것이다. 또한 플루토늄 및 우라늄의 열화로 40～50회 이용한 증식은 불가능하기 때문에 수십년의 증식기간을 채우기도 힘들다. 왜냐하면 플루토늄을 재이용에 따른 연료의 열화, 즉 241Pu가 붕괴한 높은 발열량의 242Am 및 238Pu, 그리고 중성자를 흡수하는 성질의 240Pu, 242Pu 등의 고차(高次)플루토늄이 많이 생성되어 핵분열을 방해하게 된다.

또한 고속로의 연료로서 연구하고 있는 금속연료는 방사능이 강하고 발열량도 높아 경수로의 핵연료에 비해 취급도 대단히 곤란하다.

또, 재처리 추진파들은 재처리와 고속증식로를 합친 고속로핵연료주기로 우라늄자원을 경수로보다 60배정도 효율적으로 이용할 수 있다고 한다. 이는 천연우라늄의 농축도에 따라 변화할 수 있는 이론상의 수치에 지나지 않는다. 프랑스의 예를 보면, 경수로의 사용후 핵연료 7집합체에서 나온 플루토늄을 이용하면 경수로용의 MOX연료 1집합체를 제조할 수 있다고 한다. 현재는 플루토늄4～9% 의MOX연료가 사용되고 있는데 고속증식로의 경우는 20～30%의 매우 높은 MOX연료가 사용하는데, 이를 위해서는 더 많은 사용후 핵연료의 재처리가 필요하므로 60배의 효율성은 의심스럽다.

그리고 고속증식로의 고속중성자가 원자로 밖으로 그냥 빠져 나가거나, 원자로의 구조재에 흡수되는 경우가 높기 때문에 계산상 소비량의 8～9배의 플루토늄을 장착하여야 하며, 비상시의 교환용 연료도 필요하다. 또, 고속증식로는 고속중성자에 의한 원자로 구조재의 손상이 심하므로 수명은 겨우 20～25년이다. 따라서 다른 고속증식로 1기의 가동을 위한 플루토늄을 확보하기 위해서는 적어도 2기의 고속증식로가 필요하다. 이에 대해, 고속로의 개발측은 합금개발로 원자로재질을 강화시키고, 경수로에 대한 경제성을 높이기 위해 수명 50～60년 정도를 계획하고 있으나, 과연 건설비, 해체비, 폐기물처분 등도 고려하고 있을까에 대한 소박한 의문이 생긴다.

그리고 현재 건설하고 있는 신고리 원전3, 4호기의 수명은 60년으로 발표되고 있으며 또 후속기의 건설 등을 고려하면, 국내에서 경수로가 고속로로 전부 대체되는 데는 최소한 100년 이상의 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 고속로핵연료주기의 홍보는 적극적이나, 100년간에 걸쳐 경수로의 핵연료의 농축과정에서 나오는 방대한 양의 열화우라늄의 사용용도에 대한 설명은 전혀 없다. 한국의 개발여건상 갖추어야 할 것이 많은데도 불구하고 고속로의 개발을 너무 서두른다. 해외의 개발동향을 보면서 신중하게 추진하여도 되지 않을까?