[원자력, 진화해야 산다] 수소 생산후 열·전기도 얻어 '일석삼조'

<2> '수소경제 해결사' 초고온 가스냉각로

냉각재로 쓴 헬륨의 고열로 물분해 수소 대량생산

열출력 50% 전기로 전환…경수로보다 효율성 높아

원자력硏 2023년 200MW급 실증로 건설 추진

초고온 가스로에 사용되는 구슬형(페블형) 핵연료의 내부

[원자력, 진화해야 산다] 수소 생산후 열·전기도 얻어 '일석삼조'

'수소경제 해결사' 초고온 가스냉각로냉각재로 쓴 헬륨의 고열로 물분해 수소 대량생산열출력 50% 전기로 전환…경수로보다 효율성 높아원자력硏 2023년 200MW급 실증로 건설 추진

대덕=강재윤기자 [e-mail]자료제공=한국원자력연구원

석유ㆍ천연가스ㆍ석탄 등 화석연료 값이 천정부지로 치솟고 온실가스 배출량 감축 문제가 발등의 불이 됨에 따라 최소 30년 앞을 내다보는 국가 차원의 장기적인 에너지 대책 마련이 어느 때보다 중요한 현안으로 떠오르고 있다. 선진국들이 태양광ㆍ태양열ㆍ풍력 등 신ㆍ재생에너지 사업을 확대하고 고갈ㆍ환경오염 걱정이 없는 수소를 화석연료의 대체에너지원으로 활용하기 위해 천문학적인 연구개발(R&D) 비용을 쏟아붓는 것도 이 때문이다.

◇수소에너지 `경제성'이 문제=특히 수소에너지는 물(H₂O)에서 수소만을 뽑아내 태우기 때문에 공기오염을 걱정할 필요가 없고 사용한 뒤에는 물로 재순환돼 고갈될 우려도 없다. 화석연료 대신 자동차ㆍ항공기 등 각종 교통수단과 가정용 에너지원(연료전지)으로 쓸 수 있어 ‘꿈의 에너지’로 불린다.

수소를 주연료로 사용하는 ‘수소경제시대’에 진입하려면 무엇보다 수소를 경제적으로 대량 생산할 수 있는 기술 개발이 선행돼야 한다. 이 기술을 보유한 국가가 에너지 강국이 된다.

물에서 수소를 얻는 가장 손쉬운 방법은 전기분해를 하는 것이다. 그러나 가장 저렴하게 전기를 생산할 수 있는 원자력을 이용하더라도 현재의 기술력으로는 물을 끓이는 데 2만큼의 에너지를 써도 1이 조금 넘는 수소에너지를 얻을 수 있을 뿐이다. 밑지는 장사인 셈이다. 태양열ㆍ풍력 등을 이용해 생산한 전기로 물을 전기분해해 수소를 만드는 방법, 석유나 천연가스에 고열을 가해 수소를 분리해내는 방법도 경제성이 낮고 화석에너지를 사용하는 한계가 있다.

◇대안으로 떠오른 ‘초고온 가스냉각로’=이에 따라 원자력의 열을 이용해 수소를 값싸게 대량 생산하는 기술이 주목받고 있다. 차세대 원자로 중 하나인 ‘초고온 가스냉각로(VHTRㆍVery High Temperature Gas-cooled Reactor)’가 대안으로 떠오르고 있다.

한국원자력연구원이 개발하고 있는 초고온 가스냉각로는 원자로에서 발생하는 섭씨 950도 고온을 이용해 물을 열화학적으로 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 이 기술은 황(H₂SO₄)과 요오드(HI)가 결합ㆍ분리를 반복하는 분젠반응에 물(H₂O)과 고열을 공급함으로써 수소를 분리해낸다.

하지만 섭씨 900도 이상의 고열에 견딜 수 있는 원자로를 만드는 것은 간단한 일이 아니다. 초고온 가스냉각로는 원자로 노심의 온도가 섭씨 1,200도나 돼 고온을 견디며 안정적으로 핵분열을 지속하는 기술이 필요하다. 그래서 핵연료ㆍ냉각재를 고온에서 견디도록 개발해야 한다. 경수로ㆍ중수로 등 현재 가동되고 있는 일반적인 원자로는 섭씨 300도까지 견딜 수 있도록 설계돼 있다.

연구원이 개발하려는 수소 생산을 위한 초고온 가스로의 실증 시스템이 오는 2023년께 건설되면 현재 가동 중인 열출력 2,800㎿급 경수로의 14분의1 수준인 열출력 200㎿급 초고온 가스로에서 연간 2만톤가량의 수소를 생산할 수 있다.

연구원은 2017년까지 연구개발에만 2,145억원, 2023년 목표인 실증로 건설에 정부 3,717억원, 민간자금 1조5,549억원 등 총 2조1,411억원이 투자돼야 한다고 예측하고 있다.

미국의 경우 원자력을 이용한 수소 생산기술 연구를 위해 2011년까지 12억달러를 투자, 기초기술연구를 마치고 2018년까지 원자력 수소 생산을 위한 실증로를 건설할 계획이다. 일본 역시 한국과 같은 방식으로 2015년까지 초고온 가스로를 이용한 실증연구를 마치고 2025년 수소 생산에 나설 예정이다.

◇수소 생산 후 전기 생산도 가능=냉각재의 경우 물을 사용하는 경수로와 달리 고온 안전성이 뛰어난 헬륨가스를 이용한다. 헬륨가스는 원자로의 온도를 냉각시키며 얻은 열을 수소 생산을 위한 열화학 공정으로 전달하게 된다.

초고온 가스로가 수소 생산에만 사용되는 것은 아니다. 수소 생산공정에 사용된 뒤에도 고온 상태여서 화학산업 등 열을 필요로 하는 곳에 공급할 수 있다. 고온의 헬륨가스를 이용해 발전용 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것도 가능하다.

원자력연구원은 2023년께 열출력 200㎿급 실증 시스템 개발이 이뤄지면 이후 열출력 600㎿급 상용로를 개발할 계획이다. 초고온 가스로의 경우 열출력 기준 100㎿당 연간 약 1만톤의 수소를 생산할 수 있다. 중소형 원자로이기 때문에 열출력 3,000㎿급 경수로와 비교해 동일한 부지 안에 600㎿급 5기를 건설해 동급의 열출력을 얻는 것도 가능하다.

경수로의 경우 열출력의 33%를 전기로 바꿔주는 수준이지만 초고온 가스로는 헬륨가스 터빈을 이용할 경우 열출력의 50%를 전기로 바꿀 수 있는 고효율 원자로다.

원자력연구원 수소생산원자로기술개발부의 이원재 박사는 “국가 차원의 개발 의지가 반영된다면 2023년께 초고온 가스로 건설이 가능하다“며 “초고온 가스로에서 사용한 연료를 소듐냉각고속로(SFR)에서 사용하는 것도 가능하다”고 말했다.

핵연료, 고열 견딜수 있게 흑연으로 감싸

獨·中은 구슬형 핵연료美·日등은 다발형 연구 진행국내선 아직 선택 못해

초고온 가스로에 사용되는 구슬형(페블형) 핵연료의 내부

원자력연구원이 개발하고 있는 초고온 가스냉각로(VHTR)는 원자로에서 발생하는 섭씨 950도의 고온을 이용해 물을 열화학적으로 분해, 수소를 생산하는 기술이다. 이 기술은 황과 요오드가 결합ㆍ분리를 반복하는 분젠반응에 물과 고열을 공급함으로써 수소를 분리해낸다.

초고온 가스로는 원자로 노심의 온도가 섭씨 1,200도나 돼 고온을 견디며 안정적으로 핵분열을 지속하는 기술이 필요하다. 그래서 핵연료ㆍ냉각재를 고온에서 견디도록 개발해야 한다. 과학자들은 고열에 견딜 수 있는 방법으로 섭씨 4,000도부터 녹기 시작하는 흑연을 원자로의 노심으로 사용하고 헬륨가스를 냉각재로 사용하는 방법 등을 연구하고 있다.

핵연료의 경우 금속 재질의 파이프로 피복하는 기존의 핵연료와 달리 고온에 강한 흑연으로 감싼다. 0.6㎜ 크기의 우라늄을 탄소와 실리콘 카바이드 소재 등으로 감싸 직경 1㎜ 크기의 구슬형으로 만든 뒤 동일한 재질로 감싼 직경 6㎝ 크기의 구슬에 가득 채워 당구공만한 핵연료로 만든다. 원자로에 약 40만개의 핵연료를 채운 뒤 핵분열을 일으켜 고열을 만들어낸다. 독일ㆍ중국은 구슬형 핵연료를 사용한다.

반면 미국ㆍ프랑스ㆍ일본 등은 여러 개의 파이프형 핵연료가 밀집된 다발형 연료를 흑연으로 감싼 방식을 사용해 연구를 진행하고 있다.

이러한 형태의 연료를 사용함으로써 핵분열로 발생하는 방사능물질이 외부로 유출되지 않고 구슬이나 다발형 연료 내부에 남아 있게 된다. 기존 원자력발전소와 비교해 방출되는 방사선량은 1,000분의1 수준에 불과하다.

국내의 경우 초고온 가스로에 대한 국가 차원의 개발이 이뤄지지 않아 두 가지 방식 중 어느 것을 선택할지 결정하지 못한 상황이다.

혼자 웃는 김대리~알고보니[2585+무선인터넷키]