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원자력에너지
원자력에너지(Nuclear energy)는 원자핵의 상태가 변하면서 방출되는 에너지를 말한다. 원자력에너지는 방사성붕괴, 핵분열, 핵융합 반응시에 생성된다.
원자력에너지는 방사선의 발견에서 시작되었고 핵물리학 발전의 토대가 되었다. 1895년 독일의 과학자 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen, 1845 ~ 1923)은 진공관으로 실험을 하던 중 최초의 방사선인 X-선을 발견하게 된다. 그리고 1년 뒤인 1896년 프랑스의 과학자 베크렐(Antoine Henri Bequerel, 1852 ~ 1908)은 사진을 현상하던 중 우연히 우라늄 광석으로부터 X선과 같이 투과력이 강한 방사선이 나온다는 것을 알게 되었다. 이는 방사선이 자연 광석에서 발견된 최초의 발견이었고, 1898년 퀴리 부부(Marie Curie, 1867 ~ 1934)에 의해 더욱 강한 자연 방사선을 방출하는 라듐(Ra)과 폴로늄(Po)이 발견되었다. 후에 불안정한 핵들이 붕괴하는 과정에서 다른 종류의 방사선들이 방출된다는 것이 알려졌다. 1899년 영국의 과학자 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871 ~ 1937)는 방사선에 알파선과 베타선의 두 종류가 있음을 밝혔고, 1900년 프랑스의 과학자 빌라드(Paul Ulrich Villard, 1860 ~ 1934)는 투과력이 매우 강한 감마선이 더 존재하는 것을 발견하였다. 이러한 방사선 붕괴는 중성자(nutron)나 중성미자(nutrino) 등의 입자들을 찾는데 큰 도움을 주는 등 핵물리학에 큰 공헌을 하게 된다.
로이터 통신에 따르면 전 세계 원자력 발전량은 지난 2018년 1년간 3.4% 증가해 370GW까지 증가했다. 그러나 재생가능에너지 발전량도 빠르게 증가하면서 전체 발전에서 원자력이 차지하는 비율은 10%를 조금 넘는 수준이다. )
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현황[편집]
원자력발전은 고도의 기술집약적 산업이며 사업규모가 방대하여 전기,기계,토목,화학,금속 등 관련산업의 발전에 크게 기여해 왔다.
1998년 8월 11일에 상업운전을 시작하여 운영 중에 있는 울진3호기 및 현재 건설 중인 월성4호기, 울진 4호기, 영광 5, 6호기는 원자력 관련기술을 완전 국산화한 우리 고유의 한국 표준형으로서 이같은 국산화 추진 과정에서 원자력산업은 관련산업의 기술발전과 육성에 크나큰 영향을 미쳤으며, 관련분야의 기술인력 확보와 양성에도 크게 이바지하고 있다.
우리나라의 에너지원별 발전량 현황을 보면 석탄에너지 다음으로 원자력에너지가 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것을 알 수 있다.
그 외에 신재생에너지로 각광받고 있는 태양광발전은 전체 에너지 발전의 0.7%로 그 수준이 굉장히 낮은 상태이다. 미국, 일본, 독일 등 선진국의 전력소비량은 감소세인 반면, 철강·화학·반도체 등 전력소비가 큰 제조업의 부가가치 비중이 높은 한국의 전력소비량은 증가할 전망이며, 이에 따라 발전소 신규건설 및 신재생에너지 보급 확대를 통해 전력수요 증가에 대응해 나아갈것으로 보인다.
현실적으로 원자력에너지의 발전효율 30%를 신재생에너지로 대체하기 위해서는 많은 시간과 막대한 비용이 들 것으로 예상된다.
EU 원자력에너지의 의존도는 전체 에너지 공급의 26%, 프랑스의 경우는 원자력 의존도가 전체 에너지원의 70%에 달한다. 프랑스 등 10개국 경제 및 에너지 장관 등 16명이 동참한 회의에서 "원자력에너지는 탄소중립과 에너지 주관을 실현하기 위한 최고의 무기"다 라는 의견 및 "원자력을 2002년 말까지 지속 가능한 에너지원 리스트에 추가하라"는 주장을 내세웠다.
현재 세계에는 19개국에서 53기의 원전이 건설 중에 있다. 원자력 발전량에 있어 우리나라는 미국, 프랑스, 중국, 러시아에 이은 6위 국가이다. 또한 110기의 원전이 계획 중이다. 계획 중에 있다는 건 건설 사업이 승인되고 재원투자계획이 세워졌다는 뜻이다.
대부분 2020년대에는 건설 및 운영이 가능한 원전들이다. 여기에 추가로 330기의 제안 중 원전이 있다. 이들 원전은 세부계획이 수립되었거나 후보부지가 선정된 상태의 원전을 의미하며 구체적인 건설착수 및 운영은 아직 미확정인 원전들이다.
따라서 10~20년 내에는 약 100여 기의 원전이 새로운 건설 시장에 나올 것이며 그 이후 장기적으로는 300여 기의 원전이 건설시장에 나올 것으로 기대된다.[1] [2]
핵분열 에너지[편집]
핵분열은 중성자의 충돌 실험으로 발견되었다. 1938년 한(Otto Hahn, 1879~1968)과 슈트라스만(Fritz Strassmann, 1902 ~ 1980)은 우라늄에 중성자를 충돌시키는 실험을 통해 기존에는 볼 수 없었던 큰 에너지가 방출되는 것을 확인하였다. 몇 주 후 오스트리아의 과학자 마이트너(Lise meitner, 1878 ~ 1968)는 이 에너지가 중성자와 충돌한 우라늄이 비슷한 질량의 다른 원소로 쪼개지면서 방출되는 에너지임을 알게 되었고, 이를 핵분열이라 하였다. 핵분열 에너지는 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리 E = mc² 로 부터 계산할 수 있다. 예를 들어 한 개의 ²³⁵ U(우라늄-235) 핵 한 개가 분열하는 핵반응은 다음과 같다.
²³⁵ U은 임의의 두 개의 원소 X, Y와 k개(2~3)개의 중성자(n)로 분열된다. 이 때 방출되는 200MeV에 이르는 에너지는 석탄이나 석유 같은 화석 연료를 같은 무게로 환산하였을 때 보다 약 200만 배 더 많은 에너지이다.
핵분열 에너지가 이용된 최초의 사례는 제2차 세계 대전 말, 맨하탄 프로젝트(Manhattan Project)의 결과물인 원자폭탄이었다. 빅보이(Big boy)와 리틀보이(Little boy)라고 명명된 이 원자폭탄들은 각각 나가사키와 히로시마에 투하되었고, 이는 핵분열 에너지가 가진 에너지원으로써의 가능성과 평화적 이용을 강조하는 계기가 되었다. 이후 페르미(Enrico Fermi, 1901 ~ 1954)가 고안한 최초의 원자로 시카고파일-1(Chicago pile 1)을 필두로 다양한 형태의 원자력 발전소들이 건설되었다.
핵융합 에너지[편집]
핵융합 에너지는 핵분열과는 반대로 질량수가 작은 원자핵들이 초고온 고압의 환경에서 높은 에너지로 충돌할 때 생기는 질량 결손 에너지이다. 태양의 내부에서는 핵융합 반응에 의해 수소가 헬륨으로 융합되면서 매우 큰 에너지가 방출되고 있다. 현재 이러한 핵융합 에너지를 에너지원으로 이용하기 위해 다양한 실험들이 활발하게 이루어지고 있다. 대표적으로 토카막(tokamak)을 이용한 핵융합로 연구 등이 있다. 핵융합로에서는 주로 중수소와 삼중수소 사이의 핵융합 반응으로부터 에너지를 얻는데 이 경우에 반응식은 다음과 같다.
이 때 방출되는 에너지는 핵분열 반응에서 방출되는 에너지보다 더 높은 효율을 보이기 때문에 핵융합 에너지는 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
원자력에너지의 장점[편집]
- 안전성 : 우라늄은 석유보다 훨씬 적은 양으로 발전하기 때문에 수송과 저장이 쉽다.
- 경제성 : 원자력 발전은 다른 발전방식에 비해 건설비는 비싼 반면 연료비가 월등히 싸기 때문에 매우 경제적인 발전방식으로 꼽히고 있다.
- 환경친화적 : 원자력은 발전과정에서 이산화탄소같은 환경오염 물질을 배출하지 않는 비화석에너지로서 지구 환경문제를 해결하는데 중효한 역할을 한다.[1]
원자력에너지 단점[편집]
- 위험성 : 원자력발전에는 필수적으로 방사능과 방사선이 발생하므로 사고 시 큰 위험이 있다.(구 소련 체르노빌 사고,미국 스리마일 원자력 사고, 최근 일본 핵주기시험시설 임계사고 등)
- 폐기물 : 발전 후 타고 남은 방사성폐기물(사용후핵연료 등)과 발전 중 생긴 저준위 방사성폐기물 처리, 처분에 많은 비용과 시간이 소요되며, 아직까지 안전성이 확실하게 입증된 방사성폐기물의 처분방법이 없다.
- 경제성 : 건설비가 비싸다. 또한 초기 투자비용이 커서 개도국 등 경제력이 약한 국가는 건설 곤란하며, 화력발전에 비해 건설비가 비싸다.[1]
원자력에너지의 미래[편집]
원자력에너지 부문 혁명으로 모든 화석연료를 배제할 수 있는 가능성이 높아지고 있다. 기후변화의 위협이 나타나고 있는 지금은 핵융합 기술과 같은 대체에너지에 더 집중하고 투자해야 할 시기이다.
기술 대기업들은 기업 단위의 원자력 발전 스타트업에 막대한 자금을 투자하고 있다. 그 이유는 원자력 발전이 힘든 시기를 겪고 있기 때문이다. 특히 2011년 후쿠시마 원자력 발전소 재난 이후 많은 원자력 발전소 건설이 지연되거나 중단되고 있고 비용 초과와 공공안전의 우려에 직면하고 있다. 대안 중 하나는 핵융합으로 발전기를 돌리는 것이다. 원료인 수소는 지구에 무한하게 존재하며 폐기물 처리도 쉽다. 핵융합 에너지의 생성원리는 태양이 빛과 열을 내는 과정과 같다. 그래서 핵융합 시스템을 작은 인공태양으로 부르기도 한다. 억만장자들은 인공태양을 개발하는 스타트업에 막대한 자금을 투자하고 있다. 스타트업들의 핵융합 기술 개발 방식이 각국 정부가 주도하는 연구방법보다 더 효율적이기 때문이다.
이러한 문제에도 불구하고 55개의 원자력 스타트업들은 총 16억 달러의 투자를 받았다. 놀라운 일이다.
원자력에 투자하는 억만장자들[편집]
- 테라파워(Terra Power) : 테라파워는 스스로 '에너지 독립성, 환경 지속가능성, 의료 선진화와 첨단 기회를 제공하는 기술 인큐베이터와 개발회사'라고 설명하고 있다. 빌 게이츠는 이 회사의 이사회 의장으로 많은 자금을 투자하고 있다. 이 회사는 열화우라늄(depleted uranium )을 사용하며 40년에서 60년 마다 한 번씩 연료를 공급하면 되는 트레블 웨이브 리액터를 개발하고 있다.
- 제너럴퓨전(General Fusion) : 아마존 CEO인 제프 베조스가 투자하고 있는 밴쿠버 소재의 제너럴퓨전은 9,400만 달러의 투자를 받았다. 베조스는 2011년 그의 이름을 딴 개인투자회사 베조스 익스피디션(Bezos Expedition)을 통해 1950만 달러를 투자했다. 이 회사는 핵융합을 촉발시키기 위해 첨단 해머를 사용한다. 이 공정은 자화표적핵융합(MTF, Magnetized Target Fusion)이라고 한다. 이 기술의 핵심은 토카막(일종의 대규모 핵융합로) 없이 핵융합에너지를 만들 수 있다는 것이다.
- 트라이알파에너지(Tri Alpha Energy) : 마이크로소프트의 공동창업자인 폴 앨런은 캘리포니아 소재의 핵융합 기술벤처회사인 트라이알파에 4,000만 달러 규모의 투자를 단행했다. 트라이알파는 입자가속기와 플라즈마 물리학을 조합한 친환경 핵융합(friendly fusion)이라는 기술을 연구하고 있다. 이 회사는 노먼이라는 이름의 발전기를 가지고 있다. 트라이알파도 제너럴퓨전처럼 매우 간단한 방식으로 핵융합에너지를 만들어내고자 한다. 뉴욕타임스(NYT)는 최근 실시한 핵융합 반응 제어실험에서 정부가 주도하는 프로젝트보다 더 나은 성과를 나타냈다고 보도했으며 매사추세츠 공과대학(MIT)이 발간하는 MIT 테크놀로지 리뷰에서도 이 회사를 주목할 만한 핵융합 스타트업으로 소개한 바 있다.
- 헬리온에너지(Helion Energy) : 시애틀에 소재한 헬리온에너지는 핵융합엔진(Fusion Engine)을 개발하고 있다. 이 기술은 경쟁회사보다 1,000배 더 작고 500배 더 저렴한 방식으로 핵융합이 가능하다. 페이팔의 공동 설립자인 피터 틸은 나사, 에너지 부, 국방성과 함께 이 회사에 적극적으로 투자하고 있다. 피터 틸의 투자규모는 1,500만 달러이다. 이 회사는 2022년까지 소형 핵융합 장치를 상용화한다는 계획을 가지고 있다.
이와 같은 투자와 첨단기술로 원자력의 미래는 밝아 보인다.
핵융합의 미래[편집]
핵융합 반응로가 제대로 작동된다면 사실상 무한한 전력을 무한한 기간 동안 공급할 수 있다. 액체 수소연료 한 티스푼은 28톤의 석탄과 동등한 에너지를 생산한다. 수수동위원자력 발전소들은 지구상에 무한히 존재한다.
지난 40년 이상 미국과 각 나라에서 핵융합 과정을 통제하고 이를 활용하여 전력을 생산하고자 하는 노력이 진행되어 왔다. 아래에서 소개하는 3개 기관은 핵융합 분야에서 가장 앞서 있다.
- 프린스턴 플라즈마물리학 연구소(Princeton Plasma Physics Lab, PPPL) : 프린스턴 플라즈마물리학 연구소는 플라즈마 기반의 핵융합 기술 개발에 초점을 두고 있다. 향후 극단적인 고온 조건에서 고품질의 플라즈마를 유지하고 플라즈마 장에서 핵융합 전력을 생성하는 실험을 진행한다. 이 연구소는 프랑스에 건설 중인 세계에서 가장 큰 자기적으로 가둬진 핵융합 에너지(magnetically confined fusion) 시스템 개발에 도움이 되기를 바라고 있다.
- 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Lab) : 로렌스 리버모어 국립연구소는 지난 몇 년 동안 대체에너지 분야를 선도해왔다. 이 연구소는 다수의 고출력 레이저를 콩알 크기의 핵융합 연료통(hohlarum)에 쏘아 핵융합 반응이 일어나도록 하는 데 성공했다. 국제핵융합실험로(ITER)의 초전도와 플라스마를 이용하는 핵융합 방식과 달리 고출력 레이저로 높은 에너지를 만들어 핵융합을 일으키는 방식이다. 세계 최초로 투입된 에너지 양보다 발생된 에너지가 더 많은 원자로를 만들어내는 데 성공했다.
- 워싱턴대학교(University of Washington) : 워싱턴대학교 연구진들은 전력 생산비용을 획기적으로 줄일 수 있는 플라즈마 핵융합 리액터 개발을 위해 노력하고 있다. 연구진들은 자신들이 개발한 반응로에서 10억 와트의 전력을 생산하는 데 드는 비용은 27억 달러로서 석탄 발전소에서 같은 양의 전력을 생산하는 데 드는 비용보다 1억 달러가 더 적다고 말했다.
2040년이면 세계 인구는 90억 명에 달할 것으로 예측되고 있다. 2017년 미 에너지정보청(EIA)에서 발표한 세계 에너지전망(International Energy Outlook)에 따르면 2040년의 전력 예상 소요를 충족시키기 위해서는 현재보다 발전량이 48% 증가되어야 하다고 설명하고 있다.[3]
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 1.2 오일지키미, 〈원자력 에너지란 무엇인가?(오일톡톡 기자단 김민기 기자)〉, 《네이버블로그》, 2021-10-21
- ↑ 의쉽남, 〈주요 증시 뉴스 살펴보기 (스태그플레이션 우려.. : 〉, 《네이버블로그》, 2021-10-13
- ↑ 박영숙 세계미래보고서2019저자, 〈(피터 디아맨디스) 원자력 에너지의 미래. 원자력 에너지 부문 혁명으로 모든 화석연료를 배제할 수 있는 가능성이 높아지고 있다. 기후변화의 위협이 나타나고 있는 지금은 핵융합 기술과 같은 대체 에너지에 더 집중하고 투자해야 할 시기이다.〉, 《블록체인AI뉴스》, 2019-03-08
참고자료[편집]
- 〈원자력 에너지〉, 《물리학백과》
- 박영숙 세계미래보고서2019저자, 〈(피터 디아맨디스) 원자력 에너지의 미래. 원자력 에너지 부문 혁명으로 모든 화석연료를 배제할 수 있는 가능성이 높아지고 있다. 기후변화의 위협이 나타나고 있는 지금은 핵융합 기술과 같은 대체 에너지에 더 집중하고 투자해야 할 시기이다.〉, 《블록체인AI뉴스》, 2019-03-08
같이 보기[편집]
