본문 바로가기

유익한자료

핵연료자원 1장 : 핵분열에너지 원리와 원자력발전

핵연료자원 1장 : 핵분열에너지 원리와 원자력발전

원자력발전은 핵분열에너지를 이용하는 것이다. 이러한 방식의 발전은 화석에너지가 갖고있는 제반문제를 해결할 수 있으며 청정에너지인 전기에너지를 얻는 새로운 에너지원으로 각광을 받았으나, 앞으로는 거의 성장을 하지 않을 에너지원으로 추정되고 있다. 즉, 2000년에서 2020년 사이 많은 원자력발전소 (nuclear power plant, NPP, 원전)는 노화과정을 거쳐 퇴락할 것으로 추정되는데 그 이유는 다음과 같다 : 첫째, 과다한 비용문제이다. 이는 원전의 건설, 운영 및 안전유지비용이 과다하게 많이 소요된다는데 문제가 있다. 둘째, 관리상의 문제이다. 발전을 계속하는 중에 발생하는 오작동 문제와 이미 발생하였던 체르노빌 원전 (Chernoville NPP)이나 쓰리마일 아일랜드 원전 (Three Mile Island NPP)의 경우와 같은 문제이다. 또한 방사성폐기물 관리에 관한 문제는 일반 대중의 큰 염려 중의 하나가 되어 있다. 셋째, 원전에 대한 근본적인 접근 문제이다. 이것은 원전을 건설할 때, 과도한 전기이용량에 대한 예측을 근거로 하여 시설이 건설되었기 때문으로 정부나 발전산업관계자들이 과장된 자료를 제시하며 거짓 약속과 은폐를 거듭하였기 때문이다. 이러한 문제에도 불구하고 주도면밀한 관리와 정직한 운영은 특히 우리나라와 같은 처지의 국가에서는 손을 뗄 수 없는 에너지원이 된 것은 부정할 수 없는 것이 현실이다.

 

  원자력발전

전기에너지는 강력한 자기장 속에서 거대한 코일을 회전시키는 발전기에 의해 생산된다. 발전기의 코일회전을 위해서 기계적 에너지를 공급할 수 있는 엔진이나 동력장치로 가장 실질적으로 이용되는 것이 증기터빈이다. 원자력발전도 이러한 방법으로 전력을 발생하고 있으며 (그림 5-7), 다만 증기터빈에 열을 공급하는 장치가 원자로 (nuclear reactor)일 뿐이다. 원자로는 핵연료의 화학적 에너지를 열에너지로 변환시킨다. 핵연료로부터 에너지를 발생시키는 시스템은 화석연료 에너지시스템에 비해서 규모가 매우 거대하고 내용도 복잡하다. 원자로는 보통 높이가 20여 m, 지름이 6∼7 m이며, 15 cm 두께의 강철로 제작되어 있다. 원자로에서는 핵분열 반응속도를 느리게 하여 폭발을 방지하면서 점진적으로 에너지를 생산하고 있다. 원자로는 원자폭탄보다 앞서 1942년에 미국에서 제작되었는데, 이 원자로의 목적은 전기발전을 위한 것이 아니었고, 원자폭탄에 필요한 순도가 매우 높은 우라늄이나 플루토늄을 제조하기 위한 것이었다.



원자력발전

원자력발전의 원리

 그림 5-7. .

원자력발전 유형 : 핵분열반응으로 방출되는 에너지로 물을 가열하여 수증기를 만들고, 이 수증기를 터빈으로 보내 발전을 하는 방식을 직접순환방식이라고 하며, 미국 제너럴 일렉트릭 (General Electric)의 비등수형경수로 (boiling water reactor, BWR)가 이 방식을 채택하고 있다. 이 방식은 연료 피복재에 손상이 생겨 핵분열 생성물이 냉매에 누출되어 터빈까지 순환될 수 있기 때문에, 원자로에서 가열된 냉매를 증기발생유도기로 유도하여 2차 증기를 만들어 터빈에 보내는 방식이 있는데, 이를 간접순환방식이라 한다. 미국 웨스팅하우스 (Westinghouse)의 가압경수로 (pressurized water reactor, PWR)가 이러한 방식의 대표적인 예이다. 현재 전 세계에서 가동중인 약 3억 kW의 원전 중 90 % 정도가 경수로이다.

   가압경수로와 비등수형경수로는 냉매와 감속재로서 경수 (H2O)를 사용하는 반면, 중수로 (heavy water reactor, HWR)는 냉매로 중수 (D2O)를 사용하는 점이 다르다. 그러나 방식의 중요한 차이점은 사용연료와 연료주기 (fuel cycle)에 있다. 중수로는 천연우라늄을 연료로 사용하며, 한번 사용 후에는 저장을 한다. 이러한 저장이 영구적인가 또는 재처리를 통하여 회수할 것인가에 대한 방안은 아직 확립되어 있지 않다. 캐나다 원자력공사에서 상업화한 캔두 (CANDU)는 대표적인 중수로이다.

   고속증식로 (fast breeder reactor, FBR)는 발전을 하면서 소비한 연료보다 많은 새 연료를 생산하는 원자로로서 우라늄 연료의 이용률을 현재보다 약 60배 이상으로 늘릴 수 있는 미래의 원자로이다. 이 원자로의 이용원리는, 핵분열을 일으키는 우라늄 235가 천연 우라늄 속에 불과 0.7 % 정도에 불과하고 나머지는 핵분열이 일어나지 않는 우라늄 238인데, 이 우라늄 238이 중성자를 흡수하면 핵분열이 일어나는 플루토늄 239로 변하기 때문이다. 프랑스가 가장 적극적으로 고속증식로 개발을 추진하고 있는데, 1974년에 이미 250 MW급 1기를 운전하였으며, 1989년에는 1.24 GW급을 운전하는 등 고속증식로 분야에서 선도적인 역할을 하고 있다. 현재 증식로는 프랑스, 일본, 카자흐스탄, 러시아에서 5기가 가동 중에 있다.

   표 5-8은 국제원자력기구 (IAEA)가 밝힌 세계원자력발전현황을 나타낸 일람표이다. 원자력 발전소는 미국이 압도적으로 많이 보유하고 있고, 프랑스, 일본, 독일, 러시아, 우크라이나, 영국 등의 순서이다. 각국의 원자로의 개발과 도입은 각자의 고유한 에너지사정, 연구개발의 역사적 경위에 따라 원자로형이 다르며, 미국, 서독, 프랑스에서는 경수로, 캐나다에는 중수로가 중심이 되어 있다.

표 5-8. 세계 원전의 건설·운영 현황과 계획 (1999년 기준)

국가명

가동중

건설중

기수

출력(MW)

기수

출력(MW)

미국

104

96,423

 

 

프랑스

58

61,635

1

1,450

일본

53

43,691

2

1,863

독일

20

22,282

 

 

러시아

29

19,843

4

3,375

아크라이나

16

13,765

4

3,800

영국

35

12,968

 

 

한국

15

12,340

3

2,550

스웨덴

12

10,040

 

 

캐나다

14

9,998

 

 

스페인

9

7,377

 

 

벨기에

7

5,712

 

 

대만

6

4,884

1

1,300

불가리아

6

3,538

 

 

스위스

5

3,079

 

 

핀란드

4

2,656

 

 

리투아니아

2

2,370

 

 

중국

3

2,167

6

4,420

슬로바키아

5

2,020

3

1,164

남아공

2

1,842

 

 

헝가리

4

1,729

 

 

인도

10

1,695

4

808

체코

4

1,648

2

1,824

멕시코

2

1,308

 

 

아르헨티나

2

935

1

692

루마니아

1

650

1

650

슬로베니아

1

632

 

 

브라질

1

626

1

1,129

네덜란드

1

449

 

 

아르메니아

1

376

 

 

파키스탄

1

125

1

300

카자흐스탄

1

70

 

 

이란

 

 

2

2,111

434

348,891

36

27,536

 

우리나라의 원자력발전 : 우리나라의 원전기술수준은 영광 원자력 3, 4호기 시공 (그림 5-8)을 통해 외국업체로부터 핵심기술을 전수 받아 국내업체가 주도하는 건설방식을 채택하여 이들 발전소의 준공을 계기로 설계 및 제작분야에서 국산화 율을 95 % 이상 이룩하게 되었다. 원자력발전기술을 보다 향상시켜 완전한 기술자립을 이룩하고 이를 바탕으로 세계시장으로 진출하기 위해서는 우리 실정에 맞는 원자력발전소 표준설계를 개발함으로서 가능할 것이다. 이러한 표준화를 통하여 경제성이 있고, 안정성이 있으며, 자립적인 기술을 공고히 하여야 세계시장으로 진출은 실현될 수 있을 것이다. 우리나라가 채택한 원자로는 월성 3호기만 캔두이고 나머지는 가압경수로이다. 우리나라 원전 현황은 표 5-9와 같다.

 

그림 5-8. .

표 5-9. 우리나라 원자력 발전소 일반현황

발전소명

위치

용량(MWe)

로형*

건설착수형

운전개시일

고리원자력

1호기
2호기
3호기
4호기

부산시 기장군 장안읍 고리

587
650
950
950

PWR
PWR
PWR
PWR

'72.5
'78.11
'79.12
'79.12

'78.4
'83.7
'85.9
'86.4 

월성원자력

1호기
2호기
3호기
4호기

경북 경주시 양남면 나아리

678.7
700
700
700

PHWR
PHWR
PHWR
PHWR

'78.2
'92.8
'93.7
'94.2

'83.4
'97.7
'98.8
'98.7

영광원자력

1호기
2호기
3호기
4호기
5/6호기

전남 영광군 홍농읍 계마리

950
950
1000
1000
1000

PWR
PWR
PWR
PWR
PWR

'81.12
'81.12
'89.12
'89.12
'97.6

'86.8
'87.6
'95.3
'96.1
2002.4/2002.12

울진원자력

1호기
2호기
3호기
4호기
5/6호기

경북 울진군 북면 부구리

950
950
1000
1000
1000

PWR
PWR
PWR
PWR
PWR

'83.1
'83.1
'93.7
'93.7
'99.4

'88.9
'89.9
'98.8
'99.12
2004.9/2005.9

*PWR : 가압 경수로형, PHWR :가압 중수로형

   이러한 기존의 원전 이외에 전남 여천군의 이목 지구, 전남 신안군 송공 지구, 고흥군 장계 지구, 보성군 비봉 지구, 해남군 외립 지구, 장흥군 신리 지구, 경북 울진군 산포 지구 및 직산 지구, 강원도 삼척시의 덕산 지구 등은 원전 후보지로 기초 타당성조사가 1980년이래 시행되어 왔으나 1999년 이후, 모두 해제되었다. 이에 대한 대처 방안으로 2015년까지 1개소 (경북 울진군의 산포 지구가 기존의 울진 원전에 대한 확장으로 4기의 원자로를 추가 설치하는 방안), 2030년까지 1개소 (경남 고리 원전 부근 울주지역에 4기의 원자로를 추가 설치)를 건설한다는 대처계획에 따라 상기 후보지역은 해제되었다.

 


  원자력에너지

원자로에서 생성되는 열에너지는 전기발전 이외에, 선박의 추진동력이나, 지역난방, 해수의 탈염, 제철 등의 열원으로 직접 이용되기도 한다. 원자력에너지를 이용한 것은 수력이나 화석연료에 비하여 아직 50여 년 정도의 경험에 불과하며, 기술적으로도 완벽하다고 볼 수 없다. 그러나 석유나 석탄 등 화석연료가 부족한 우리나라 같은 경우 원자력에너지는 가장 경제성이 높은 에너지원이라 할 수 있다. 왜냐하면, 핵연료 공급이 세계적으로 비교적 안정되어 있으며, 소량으로 장기간 이용할 수 있기 때문이다. 또한 화석연료가 가지고 있는 공해문제도 훨씬 덜 하기 때문인데, 석탄과 비교하면 CO2 발생량이 1/6정도 밖에 되지 않는다.

원자력에너지를 보다 안정적으로 확보하려면 자주적인 핵연료 주기기술과 시설을 확보하여 사용 후 핵연료를 재처리할 수 있는 능력을 갖추는 것이 중요하다. 이러한 능력과 시설을 이용하여 회수한 플루토늄과 우라늄을 다시 연료로 이용하는 것은 우라늄 광물자원의 활용도를 극대화시키는 것이기 때문이다. 이러한 목적을 이루기 위해서는 고속증식로와 신형전환로를 개발하는 것이 필요하다. 이것은 이미 몇몇 원자력 선진국에서 개발이 추진되고 있으며, 신형전환로는 고속증식로의 개발을 전제로 하는 과도기적인 원자로로서 우라늄과 플루토늄의 혼합산화물을 연료로 사용하는 것으로 플루토늄의 이용률이 매우 높은 편이다. 이는 일본 등에서 운전되어 성능이 매우 우수한 것으로 판명되었다.

 

  우라늄 광물자원

우라늄은 원자번호가 92, 원자량은 238이며 천연산 원소 중에서 가장 무거운 원소이다. 지각에는 우라늄이 3.5 ppm 정도 분포하고 있는데 특히 화강암에 많이 포함되어 있다. 그러나 대부분의 우라늄 광상은 열수나 지하수작용에 의해 생성되거나 탄질물에 동반하여 퇴적물 중에 농집하기도 한다. 우라늄 이온에는 U4+와 U6+가 있다. 암석이 지표에서 풍화되면 우라늄은 물에 잘 용해되는 우라닐 이온 (UO2)2+으로 되어 용출한다. 이 이온이 환원환경에서는 U6+가 U4+로 되어 각종 우라늄광물로 되어 침전한다. 세계 주요국가별 우라늄 생산량은 표 5-10에 나타나 있다.

표 5-10. 세계의 우라늄 생산량 (단위 : 천 Ib, U3O8)

1989

1991

1993

1995

호주

10,801

9,816

5,864

9,801

캐나다

30,495

21,327

23,886

27,315

중국

1,380

1,400

1,460

1,560

체코슬로바키아

6,702

4,623

2,430

1,600

프랑스

8,451

6,740

4,400

2,548

가봉

2,210

1,500

1,540

1,638

나미비아

9,026

6,373

4,337

5,216

ㅣ제르

8,177

7,706

7,600

7,722

남아프리카

11,971

4,868

4,421

3,714

카자흐스탄

-

9,320

7,100

5,300

러시아

-

7,799

6,236

4,000

우크라이나

-

2,080

1,300

950

우즈베키스탄

-

7,818

6,600

5,200

미국

13,456

7,952

3,203

6,091

세계 총계

162,456

105,444

83,892

85,412

* - 구소련(카자흐스탄, 러시아, 우크라이나, 우즈베키스탄 등)의 생산량은 34,660 천 Ib임.

우리나라의 경우, 선캠브리아시대의 화성광상으로 우라늄을 포함하는 페그마타이트 광상 안에 열수맥상의 광상이 발달되어 있다. 충북 단양의 옥동 광산, 강원 평창의 오대산 광산, 전북 무주에 광산이 있으며, 옥동 광산의 경우 품위는 U3O8 0.03∼0.12 %이다. 우리나라의 우라늄은 품위가 낮으며 매장량은 약 1억 톤 이상으로 추정되는데, 이를 회수가 가능한 우라늄 정광으로 환산하면 약 2만 톤 정도에 해당한다. 또한 우라늄광물을 개발할 때 부산물로서 저품위 석탄 (약 4,000 cal/gr)을 약 2천만 톤 정도 회수할 가능성도 있어 앞으로 우라늄 가격이 상승할 경우 경제성이 있을 것으로 판단된다. 상기한 우리나라의 우라늄광석 부존량은 매우 미미한 수준으로, 핵연료를 계속하여 해외개발수입이나 순수한 수입에 의존해야 하는 것이 하나의 불안 요인이라 할 수 있다. 우리나라는 우라늄을 독일, 러시아 미국, 영국, 일본, 캐나다, 프랑스, 호주 등지에서 수입하고 있다.