60년 가동 초소형원자로 개발

필리프 베트게 Philip Bethge <슈피겔> 기자
 

원자로 노심(Reactor Core)에 핵폐기물이 가득 차 있다. 노심에 핵폐기물이 쌓이면 즉시 비워진다. 이는 노심의 뛰어난 장점이다. 소형모듈원자로(SMR)는 핵연료를 새로 주입하지 않고도 60년 동안 거뜬히 가동된다. 미국 전역에 있는 원전에서 나온 ‘사용후핵연료’만으로도 전세계 전력 수요를 수백 년간 감당하기에 충분하다고 한다. 

소형모듈원자로는 에너지 문제의 근원적인 해결책이 될 수 있을까? 미국 워싱턴주 테라파워(Terrapower) 공장에서 만난 엔지니어 린제이 볼레스는 소형모듈원자로가 에너지 문제의 해결책이라고 확신한다. 

흰색 실험복을 입고 플라스틱 보호안경을 쓴 볼레스가 과거 핵연료봉을 보관했던 곳에 서 있다. 바닥에 열교환기와 펌프 위치를 표시하기 위해 색이 칠해져 있었다. 소형모듈원자로 모델이 놓일 장소다. “우리가 지금 서 있는 곳에 500도 이상 가열될 액체 나트륨이 흐르게 된다. 소형모듈원자로로 전세계 어떤 발전소보다 수급량이나 안전 측면에서 기후중립적인 전력을 생산하리라 확신한다.”

테라파워는 신형 소형모듈원자로에 대한 기대감을 한껏 일깨우는 대표 스타트업이다. 테라파워 본사는 시애틀 위성도시 벨뷰에 있다. 테라파워는 미국 실리콘밸리의 자신감이 불러온 기술낙관주의와 탁월한 자금력이 최적으로 결합한 사례다. 

빌 게이츠는 테라파워의 막후 인물이다. 13년 전 설립된 테라파워에 5억달러를 투자했다. 마이크로소프트의 네이선 미어볼드 전 최고기술경영자(CTO)도 테라파워 이사회 소속이다. 테라파워가 입주한 빌딩에 미어볼드의 글로벌 발명자본 회사인 ‘인텔렉추얼 벤처스’(Intellectual Ventures) 실험실도 있다. 인텔렉추얼 벤처스는 세계적인 명성을 지닌 싱크탱크다.

 

테라파워는 혁명적인 원자로 콘셉트를 고안하기에 완벽한 여건을 갖추고 있다. 빌 게이츠 역시 자신이 투자하는 비즈니스에 확신을 갖고 있다. 1년 전 한 공개 서신에 “원자력에너지는 기후변화 대응에 이상적”이라고 적었다. 이런 생각은 빌 게이츠만 한 것은 아니었다. 체르노빌 원전사고 33년, 후쿠시마 원전사고 8년이 지난 지금 원자력에너지는 다시 공론화되고 있다.  

2019년 12월2~13일 스페인 마드리드에서 열린 제25회 유엔기후변화협약 당사국총회(COP25)에서 각국 정부 대표는 전세계적으로 이산화탄소 배출량 증가와 심각한 가뭄, 해빙과 해수면 상승 등의 문제를 해결하기 위해 무엇을 할 수 있는지 토론했다. 당장 이산화탄소 배출량을 제한해야 한다는 주장은 역시나 빠지지 않고 등장했다.

기후변화를 곧 세계 종말로 인식했던 시대에 원자력에너지는 한때 악마의 작품으로 치부됐지만, 이제는 자연을 구할 선물로 여겨진다. 원자력에너지는 이산화탄소를 배출하지 않고 기후중립적이기 때문이다. 

환경운동가 그레타 툰베리(16)도 최근 원자력에너지를 언급해 금기를 깼다. 그녀는 페이스북에 “기후변화에 관한 정부 간 패널(IPCC)에 따르면, 원자력에너지는 새로운 무탄소 에너지의 일부분이 될 수 있다”고 글을 올렸다가, 지지자들 항의를 받고 개인적으로는 원자력에너지에 반대한다는 말을 추가로 올리는 촌극을 벌였다.

그레타 툰베리의 페이스북 소동은 원자력에너지의 딜레마를 극적으로 보여준다. 기후변화에 관한 정부 간 패널(IPCC), 국제에너지기구, 유엔의 지속가능한 개발을 위한 솔루션 네트워크, 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 전문가, 심지어 원자력에너지에 비판적인 미국의 참여과학자연맹(Union of Concerned Scientists)도 원자력에너지를 지구 온도 상승을 1.5도로 제한하는 중요한 수단으로 본다.

하지만 독일에서는 여전히 원자력 여론이 부정적이다. 원전은 비싸고 복잡하며, 현대 전력망에 적용하기에 위험하다고 본다. 원전 반대파들이 내세우는 대표적인 주장이다. 원자력에너지가 거의 무제한적인 에너지 원천이 되리라고 확신한 빌 게이츠나 네이선 미어볼드 등 찬성파는 “전혀 그렇지 않다”는 것을 증명하는 데 총력을 기울이고 있다.

특히 중국과 미국 엔지니어들은 기존 원자력 기술을 변화시키고 혁파해 정의를 재정립하고 있다. 최소 40곳의 기업이나 연구소에 있는 기존 원전과는 정반대인, 깨끗하고 경제적이며 안전한 선구적인 소형모듈원자로를 개발 중이다. 

소형모듈원자로는 토륨이나 소금 형태의 우라늄 같은 핵분열물질로 가동된다. 소형모듈원전에 사용하는 냉각재는 액체 소금, 납, 나트륨이다. 소형모듈원전에서는 핵폐기물이 생기지 않고, 오히려 기존 핵폐기물을 다시 핵연료로 사용한다.

무엇보다도 지금까지 원전을 전력 생산으로만 활용했다면, 소형모듈원자로는 원자로에서 생성된 열로 자가용, 기차, 산업계에 필요한 수소를 생산하고 난방열을 만들거나 화학 및 석유 산업 프로세스를 가동할 수 있다. 이 모든 것이 기후중립적으로 이뤄진다.

 

교통, 건물, 산업체에서 배출하는 이산화탄소 양은 전체 배출량의 40%다. 전력 부문뿐만 아니라 전체 에너지 부문이 근본적으로 탈탄소화(Decarbonization)해야만 2050년까지 전세계적으로 이산화탄소 배출량을 90%까지 줄일 수 있다. 이는 국제사회의 장기 목표이기도 하다. 

풍력과 태양열은 글로벌 에너지의 2%도 되지 않는다. 이 수치만 보더라도 탈탄소화는 인류가 직면한 엄청난 과제임을 알 수 있다. 그런데도 원자력에너지를 포기하는 것이 과연 의미 있을까? 독일에는 이 물음이 어느 국가보다 절박하게 제기된다. 2022년까지 남은 원전을 모두 폐쇄할 계획인 독일은 현재 기후변화에 대비한 목표치를 달성하지 못했다.

독일이 탈핵으로 어떤 결과를 가져올지는 프랑스와 스웨덴과 비교하면 분명하게 드러난다. 프랑스와 스웨덴은 에너지정책에서 원자력에너지에 중점을 두고 있다. 두 국가의 탄소발자국(Carbon Footprint)은 독일의 탄소발자국의 절반에 불과하다. 지금 당장 탈탄소화가 필요하다면 최소한 원자력에너지 확대나 원전 가동 연장을 요구해야 하지 않을까?

스티븐 핑커 미국 하버드대학 심리학교수, 스테판 퀴비스트 스웨덴 에너지공학자, 조슈아 골드스타인 아메리칸대학 명예교수 등 세계 석학 3명은 2019년 4월 미국 일간지 <뉴욕타임스> 기고문에서 “독일은 재생에너지에 올인하고도 탄소배출량을 거의 줄이지 못했다”며 “오로지 재생 가능한 에너지만으로는 전세계를 탈탄소화하는 데 100년 이상 걸릴 것”이라고 지적했다. “원자력에너지는 세계를 구할 수 있으며, 특히 원자력 기술 확대는 온실가스 배출을 줄이고, 탄소를 줄이는 가장 빠른 방법”이라는 것이다. 그들은 “심리적 요인과 정책은 쉽사리 바뀔 수 있다”며 “기후변화가 피부로 느껴지는 순간, 원자력에너지는 새로운 녹색기술이 될 수 있다”고 덧붙였다.  

 

원자력에너지 찬성파가 꿈꾸는 이상향은 원자력이 모든 에너지 문제에서 해방시켜주리라 믿었던 1950년대를 연상시킨다. 월트 디즈니는 1957년 일러스트 책 <우리들의 친구, 원자>(Our Friend the ATOM)에서 원전을 적극 홍보하기도 했다.

하지만 원자력 에너지를 향한 열광적인 분위기는 오래가지 않았다. 미국 펜실베이니아주 해리스버그 스리마일섬 원전 방사능 누출 사고, 체르노빌 원전사고, 일본 후쿠시마 원전사고 등 원전 역사는 갖가지 사고와 재앙으로 점철돼 있다. 여전히 해결되지 않은 핵폐기물 처리장 문제와 핵확산 위험, 핵연료의 군사적 사용 등은 원자력에너지를 향한 의구심을 키웠다. 원자력에너지에서 일어난 문제는 인류가 원자력에너지를 사용하는 과정에서 치러야 하는 대가다. 기존 원전은 너무 고비용이어서, 국가 지원 없이는 수지타산이 맞지 않다. 

현재 독일 원전에서 만드는 전력 1kWh 비용은 10센트가 넘는다. 육상 풍력, 가스나 석탄으로 만든 전력 1kWh의 비용은 4센트에서 최대 8센트에 불과하다. 특히 새 원전 건설은 오래전부터 위험이 큰 투자가 돼버렸다. 현재 전세계에 가동 중인 원전은 449기이며, 53기가 신규 건설 중이다. 2018년 기준 원전 건설 기간의 중앙값은 8년6개월이었다.

영국의 ‘힝클리 포인트 C’(Hinkley Point C·원자로 2기로 구성됨) 원전은 잘못된 원전 정책의 대표 사례다. 힝클리 포인트 C 원전은 역사상 지금까지 건설된 가장 고비용 원전으로 기록될 전망이다. 현재 건설비용만 약 260억유로로 늘어났고, 공사는 8년째 지연됐다. 영국, 프랑스, 중국 정부, 에너지기업 2곳이 원전 공사에 참여했다. 발전차액지원제도(Feed in Tariff·정부가 전력을 우대해 구매해주는 제도) 없이는 힝클리 포인트 C는 절대 수지타산을 맞추지 못할 것이다. 

크리스토프 피스트너 독일 다름슈타트 응용생태환경연구소 핵공학·설비안전 총괄담당은 “원전 건설은 경제 관점에서 의미가 없다”고 지적한다. 풍력이나 태양열에서 생산된 싼 전력 때문에 가동 기한이 되기도 전에 폐쇄되는 원전도 속속 생겼다. 국가 지원 없이 더 이상 수익을 내지 못하기 때문이다. 

크리스토프는 “러시아, 중국, 인도처럼 국가가 자금지원을 하거나 대대적인 지원을 아낌없이 하는 국가에서나 신규 원전이 건설된다”고 설명했다.  

원전업계의 위기는 이미 피부로 느껴질 정도다. 원자력에너지가 전세계 전력 생산량에서 차지하는 비율은 10.2%다. 1997년만 해도 17%였다. 탄소중립 전력에 관한 글로벌 수요가 늘어난다면, 원자력에너지의 앞날은 내리막길이 예약된 셈이다. 국제에너지기구는 2040년까지 원전의 총전기생산량이 3분의 2 정도 줄어들 것으로 추산한다. 노후화가 진행됐거나 사회적으로 꺼리는 분위기가 형성돼 경제적으로 수지타산이 맞지 않는 원전이 늘고 있다.

 

이런 여건은 원자력에너지 르네상스와는 한참 거리가 멀어 보인다. 그런데도 왜 몇몇 기업에서는 원자력에너지 르네상스를 외치는 걸까? 미국 오리건주 서부 벤턴군의 코밸리스에서 호세 레예스를 만났다. 

30년간 오리건주립대학 교수로 재직한 호세 레예스는 현재 원전 전문업체 뉴스케일파워(NuScale Power)를 운영하며, 원자로 개발에 매진하고 있다. 이 회사는 기존, 신생 원전업계를 막론하고 흥미로운 스타트업(신생 벤처기업)으로 통한다. 

레예스는 “현대 전력망에서 풍력이나 태양열 등 재생 가능한 에너지와 호환 가능한 원자로 사양을 끊임없이 연구했다”고 말했다. 그의 책상 바로 옆에 모형 원자로가 있었다. 레예스의 끊임없는 연구 결과물이다. 

모형 원자로는 기존 가압경수로(pressurized water reactor) 유형인데, 유일한 차이점이 있다면 그가 만든 모형은 60MW에 불과하다는 것이다. 그의 모델은 과거 1천MW 이상의 콘크리트 돔 지붕의 거대한 원전과는 공통점이 없다. 

원자로는 복잡한 구조의 물주전자에 비유된다. 원자로 노심에서 우라늄이 핵분열되고, 이 과정에서 중성자가 나온다. 중성자는 물 분자로 속도가 느려진 우라늄을 추가로 핵분열한다. 이런 연쇄작용에서 열이 나오고, 열은 물에 흡수된다. 두 번째 냉각 과정에서 수증기가 나오고, 발생한 수증기는 터빈을 움직인다.

정전되거나 혹은 정전으로 냉각수펌프가 멈춰 냉각이 중단되거나 냉각재 순환 폐쇄회로에서 원자가 유출된다면 심각한 문제로 이어질 수 있다. 그러나 현대 원자로에서는 이런 경우에도 기술적으로 연쇄반응이 일어나지 않는다. 하지만 잔열이 많이 발생하면 노심이 녹을 수도 있다. 2011년 지진·해일로 냉각수 펌프 가동이 멈췄던 후쿠시마 원전사고가 이런 경우다. 체르노빌 원전은 급격한 출력 폭주로 폭발해 사고가 일어났다. 독일에서 가동 중인 모든 원전은 원천적으로 급격한 출력 폭주를 할 수 없도록 설계돼 있다. 

뉴스케일파워는 원전사고 위험 요소를 더욱 줄였다. 레예스를 비롯해 뉴스케일파워 직원들은 원자로를 지름 4.5m, 길이 23m의 담배 모양 철강 케이스에 집어넣었다. 이 소형모듈원자로는 대형 물탱크에 수직으로 배치된다. 엔지니어들은 수영장처럼 생긴 설비에 모듈식원자로 여러 개를 넣었다. 

레예스는 “유례를 찾아볼 수 없을 정도로 안전성이 강화됐다”고 강조한다. “모든 시스템이 고장 나더라도, 원자로는 자동으로 꺼지게 돼 있다. 이를 위해 전기도 필요 없고, 사람이 조작할 필요도 없다.”

호세 레예스는 뉴스케일파워 건물 1층에 있는 어슴푸레한 제어실에서 어떻게 이것이 가능한지 시연했다. 원자로 12개에서 시뮬레이션한 수치를 제어실 대형 스크린에 띄웠다. 이 중 원자로 1개를 대상으로 심각한 오류에 대처하는 시뮬레이션을 선보였다. 엔지니어들이 밸브를 닫으라는 명령을 원자로에 보낸 뒤 원자로를 외부 세계로부터 완전히 단절시켰다. 기존 원전에는 악몽과도 같은 시나리오다.

경고등이 즉각 붉은색으로 번쩍거린다. 예상대로 노심 온도가 올라간다. 하지만 보안시스템이 가동해 제어봉이 연료봉 사이로 들어가면서 핵분열이 일어나지 않는다. 원자로에서 압력 상승을 막기 위해 밸브가 자동으로 열린다. 이후 수증기가 냉각재 순환 폐쇄회로를 지나 격납 용기로 들어간다. 격납 용기는 열을 원자로 양쪽 끝으로 전달하고, 이내 노심 온도는 안정된다. 

레예스는 시뮬레이션 결과에 만족스러운 표정을 지었다. “소형모듈원자로가 고장 날 확률은 10억분의 1이다. 모든 시스템이 고장 나더라도, 원자로 양쪽 끝에 원자로를 냉각시킬 수 있을 정도의 물이 충분히 저장돼 있다.”

물론 아직 실험 단계다. 뉴스케일파워 원자로를 상업적으로 생산하지 않았다. 원자로 모델은 실제 데이터를 토대로 컴퓨터에 구현됐다. 호세 레예스와 오리건주립대학교에 있는 그의 연구팀은 실제 3분의 1 크기의 실험용 원자로를 제작했다. 여타 실험은 실제 원자로 8m 높이로 제작된 모델에서 진행됐다. 

뉴스케일파워 원자로에는 펌프가 없고, 가동 부분(mobile parts)도 거의 없다. 철강 재질로 만들어진 케이스는 콘크리트 돔 지붕 양식의 원전보다 압력에 저항력이 강하며 제조도 쉽다. 레예스는 매달 이러한 소형모듈원자로 3개를 제작해 건설비용을 낮출 생각이다. 핵파이프는 완전조립 상태로 공장에서 출하해 고객에게 납품한다. 

레예스는 “유럽의 루마니아와 체코를 비롯해 20여 개국에서 소형모듈원자로에 관심을 보였다”고 말했다. 뉴스케일파워는 미국에서 전력공급업체 29곳과 협상 중이다. 미국의 여러 연방주들은 2050년까지 기후중립을 실현하려 하며, 이에 미국 에너지업계는 노후 원전의 대체재를 모색하고 있다. 

뉴스케일파워를 낙점한 발전사가 있다. 뉴스케일파워는 UAMPS(Utah Associated Municipal Power Systems)로부터 소형모듈원자로 12개를 주문받았다. 미국 원자력규제위원회(NRC)에서 설계 인증 심사를 승인받는 대로 납품할 계획이다. 소형모듈원자로를 승인할 가능성이 1%도 없는 독일과 달리, 미국 원자력규제위원회는 소형모듈원자로의 수동적 안전성을 확인했다.

거대한 두 식스팩처럼 보이는 소형모듈원자로가 축구장 크기의 대형 물탱크에 설치된다. 레예스는 머잖아 소형모듈원자로를 납품하리라 낙관한다. 소형모듈원자로 12개 건설비용은 30억달러다. 2026년 상업운전 가동이 목표다. 뉴스케일파워는 1kWh당 전력 생산 가격이 6센트 정도일 것으로 내다봤다. 그러면 뉴스케일파워의 소형모듈원자로는 적지 않은 지역에서 저렴한 가스발전소와 비교해도 탁월한 가격경쟁력을 갖추게 된다.