차세대 에너지 원자력 개발

고유가 시대 해결책 원자력

배럴당 70달러 고유가 시대진입

차세대 에너지 원자력 개발

국제유가가 두바이유 기준으로 배럴당 70달러에 육박하고 있는 가운데 석유 위기가 가격 상승에서 수급불안으로 확대되는 3차 오일쇼크 발생 전망까지 나오고 있다.

고유가는 기업들의 원가부담을 가중시켜 국가경제의 성장 잠재력을 갉아먹는 한편 세계경제성장을 저해해 우리기업의 수출도 감소시킬 것으로 우려된다.

고유가 상황을 맞아 국내 상황을 집어보고 차세대 에너지원으로 인식되고 있는 원자력 및 차세대 에너지원에 대한 개발방향 등을 점검해 본다.

1.지속적인 유가상승 불가피

하반기 배럴당 100달러이상 폭등… 제3차 오일쇼크 가능성

국제유가 전문기관들은 하반기유가를 두바이유 기준으로 배럴당 55-60달러로 전망하고 있으나 중동 정정 불안 악화, 석유 정제시설 가동 차질 등 돌발 상황이 발생하면 추가 상승 가능성도 높은 것으로 보고 있다.

하반기 유가에 대해 국내의 국제유가전문가협의회는 배럴당 55달러 내외로 전망했으며 미국 케임브리지 에너지연구협회(CERA)는 배럴당 54.25달러, 에너지안보분석 기관(ESAI)은 배럴당 51.92달러로 내다봤다.

그러나 국제유가가 조만간 배럴당 70달러를 넘어설 것으로 보는 전문가들이 적지 않으며 기관에 따라서는 유가가 배럴당 100달러 이상으로 폭등하는 제3차 오일쇼크가 발생할 것이라는 전망도 심심찮게 나오고 있다.

골드만 삭스는 유가가 105달러까지 급등할 것이라고 내다봤으며 미국의 비영리 단체인 국가에너지정책위원회(NCEP), 미국미래에너지확보(SAFE) 등은 사우디아라비아가 폭력사태로 석유통제권을 상실하면 유가가 배럴당 160달러까지 치솟는 파동까지 배제할 수 없다고 내다봤다.

에너지경제연구원의 이문배 연구위원은 국제유가가 배럴당 70달러까지 올라갈수 있다며 “유가는 천천히 올라갈 수도 있겠으나 단기간에 급등할 가능성도 배제할 수 없다”고 말했다.

이 연구위원은 “유가가 급등하더라도 과거처럼 시장기능이 파괴되는 상황이 오지는 않겠으나 그 가능성을 배제할 수 없기 때문에 시장기능 파괴상황에 대비해야 한다”고 강조했다.

유가하락 가능성 거의없어

중동 지역에 전쟁이나 테러가 발생하면 석유시장이 붕괴돼 유가가 급등하고 석유공급이 부족해지는 오일쇼크가 발발할 가능성이 있다는 것이다.

이 연구원은 “당분간 유가가 떨어질 가능성은 별로 없는 것 같다”며 “배럴당 30달러 이상을 고유가 상황이라고 본다면 고유가는 짧으면 2년, 길게는 4-5년 지속될 것”이라고 내다봤다.

국제유가는 두바이유 기준으로 지난해 배럴당 평균 33달러에서 올해 상반기에 45달러, 7월 52.84달러, 8월 56.12달러로 치솟아 올해 상반기에만 지난해 동기대비 31% 올랐다.

올해 유가 급등은 세계 석유시장의 구조적 변화에서 기인한 것으로 분석된다. 과거 석유위기는 정변 등 우발적, 비경제적 요인에 의해 발생해 단기간에 유가가 급등했다.

반면 최근의 고유가는 석유수급이 구조적으로 팽팽해진 데 따른 것이기 때문에 앞으로 상당기간 지속될 가능성이 높다는 것이다.

세계석유 수요는 중국, 인도 등의 높은 소비증가로 계속 늘어나는 반면 산유국들의 잉여 석유공급능력은 과거에 비해 오히려 감소했다.

지난해 중국과 인도의 석유소비는 각각 16%, 5% 늘어났으나 석유수출국기구(OPEC)의 잉여생산능력은 2003년 300만-350만배럴에서 올해 7월 현재 100만-125만배럴로 오히려 감소했다.

여기다 국제투기자금의 석유시장 유입증가 및 이라크, 이란, 사우디아라비아 등 중동 정정불안도 유가 상승에 일조하고 있는 상황이다.

사우디아라비아가 폭력사태로 석유통제권을 상실하면 유가가 배럴당 160달러까지 치솟는 파동까지 배제할 수 없다

2원자력 연료 우라늄 무한대

대부분 수입 에너지… 21세기 중반 석유자원 고갈

석유, 석탄, 천연가스 등 세계의 주요 화석에너지 자원은 고갈되어 가고 있으며, 특히 우리나라는 이들 에너지원의 대부분을 수입에 의존하고 있다.

원자력은 기술의존형 에너지로서 기술개발에 의해 우라늄을 거의 무한대로 활용하는 것이 가능한게 특징이다.

원자력은 에너지 부존자원이 많지 않은 우리나라가 기술자립을 통하여 에너지 자립을 이룰 수 있는 후손을 위한 미래의 에너지로 손꼽히고 있다.

지구에 부존된 에너지자원의 확인매장량은 석유 1조 배럴, 천연가스 5천조입방피트,석탄 1조톤 그리고 우라늄 385만톤이다.

이를 석유 환산단위(TOE)로 표시하면 각각 1,432억, 1,254억, 6,860억, 501억 TOE이다,

향후 에너지 소비량이 현재의 소비량과 같을 경우, 이들 에너지자원의 사용가능기간은 그리 길지 않아서, 석유, 천연가스의 경우 21세기 중반에 고갈되며 석탄의 경우는 앞으로 약 200여년을 더 사용 할 수 있을 것으로 예상된다.

더욱이 에너지 절약 및 꾸준한 에너지 효율 향상에도 불구하고 개발도상국의 급격한 에너지 소비 증가와 생활수준의 향상에 따라 앞으로 전세계 총에너지 소비는 계속 증가할 것으로 예상되므로 위에서 언급한 에너지자원의 실제적인 이용가능 기간은 더 단축될 것으로 전망된다.

한편 우라늄의 경우 비록 그 매장량이 한정되어 있지만 기술개발에 따라 이용가능한 에너지량이 크게 증가될 수 있다.

이러한 기술로는 고속증식로를 들 수 있는데 이 기술이 상용화될 경우 우라늄 활용도가 현재의 약 60배로 향상되어 이용 가능한 우라늄자원은 거의 무한대가 된다.

석유, 석탄, 천연가스 등 세계의 주요 화석에너지 자원은 고갈되어 가고 있으며, 특히 우리나라는 이들 에너지원의 대부분을 수입에 의존하고 있다.

원자력은 기술의존형 에너지로서 기술개발에 의해 우라늄을 거의 무한대로활용하는 것이 가능하다.

원자력은 에너지 부존자원이 많지 않은 우리나라가 기술자립을 통하여 에너지 자립을 이룰 수 있는 후손을 위한 미래의 에너지이다.

지구상의 우라늄 385만톤 매장

지구에 부존된 에너지자원의 확인매장량은 석유 1조배럴, 천연가스 5천조입방피트, 석탄 1조톤 그리고 우라늄 385만톤이다.

이를 석유 환산단위(TOE)로 표시하면 각각 1,432억, 1,254억, 6,860억, 501억 TOE이다,향후 에너지 소비량이 현재의 소비량과 같을 경우, 이들 에너지자원의 사용가능기간은 그리 길지 않아서, 석유, 천연가스의 경우 21세기 중반에 고갈되며 석탄의 경우는 앞으로 약 200여년을 더 사용 할 수 있을 것으로 예상된다.

더욱이 에너지 절약 및 꾸준한 에너지 효율 향상에도 불구하고 개발도상국의 급격한 에너지 소비 증가와 생활수준의 향상에 따라 앞으로 전세계 총에너지 소비는 계속 증가할 것으로 예상되므로 위에서 언급한 에너지자원의 실제적인 이용가능 기간은 더 단축될 것으로 전망된다.

한편 우라늄의 경우 비록 그 매장량이 한정되어 있지만 기술개발에 따라 이용가능한 에너지량이 크게 증가될 수 있다.

이러한 기술로는 고속증식로를 들 수 있는데 이 기술이 상용화될 경우 우라늄 활용도가 현재의 약 60배로 향상되어 이용 가능한 우라늄자원은 거의 무한대가 된다.

극심한 에너지 편중 현상

화석 에너지자원의 부존량은 극심한 지역적 편중을 보이고 있다. 석유는 중동지역에, 천연가스는 구소련지역과 중동지역에, 석탄은 북미지역과구소련 및 중국에 각각 60% 이상 집중되어 있다.

특히 석유는 그 정도가 매우 심하여 중동지역에만 64%가 매장되어 있다.

이러한 에너지자원의 지역적 편중현상은 에너지자원의 수급에 불안정한 요인으로 작용하고 있다.

1970년대에 발생한 두 번의 석유파동에서 경험한 바와 같이 자원 보유국들이보유 자원의 생산 및 수출을 제한하는 등 자원을 무기화할경우 경제에 심각한 타격을 주게 된다.

반면에 우리 나라의 부존 에너지자원은 무연탄과 우라늄이 있으나 무연탄의 경우 경제적 가채량은 6.6억톤 정도로 향후 30년 내에 고갈될 것으로 예상되며 우라늄의 경우 현재의 기술수준으로 볼 때 원광중 우라늄 함량(품위)이 0.1% 이상이 되어야 경제성이 있으나 우리 나라의 우라늄은 0.04%의 저품위광으로 경제성이 없는 것으로 판명되고 있다.

이렇게 부존 에너지자원이 빈약한 우리 나라의 실정에서는 기술확보에의한 에너지자립의 필요성이 절실히 요구되고 있다.

한국원자력연구소는 하나로뿐만 아니라 해수담수화 일체형원자로(SMART), 제4세대 원전, 원자력 수소 생산시스템, 방사선기술(RT) 등 기초 연구단계에서 벗어나 산업화 및 상업화할 수 있는 기술·제품에 연구력을 집중해나갈 계획이다.

3.미래 에너지개발 내년예산 1조원

핵융합실험로, 원자력 수소 생산시스템, 제4세대 원자로 등 개발

고유가 시대를 맞아 내년도 미래 에너지 국가연구개발(R&D)예산이 사상 처음으로 1조원을 돌파할 전망이다.

정부 고위 관계자는 “배럴당 70달러를 향해 치닫는 고유가 행진이 이어지면서 유관 부처별로 추진하는 미래 대체·재생 에너지 분야 국가R&D예산 요구액을 적극 수용키로 했다”며 “과학기술혁신본부가 부처별 2006년도 예산요구액을 심의·조정한 결과 1조원을 넘어섰고, 현재 기획 예산처에서 최종 검토중”이라고 밝혔다.

그는 또 “앞으로 산업자원부를 비롯한 과학기술부, 해양수산부, 농업진흥청, 산림청 등 부처간 에너지·자원 R&D 역할 분담과 연계 조정을 통해 1조원대 재원이 효율적으로 쓰일 수 있도록 하겠다”고 덧붙였다.

정부는 올해 원자력 분야에 약 4,000억원, 대체·재생 에너지 분야에 약 4,500억원 등 모두 8,500억원을 쏟아붓고 있으며, 내년부터 각각 5,000억원 이상을 투입할 계획이다.

원자력 분야에서는 과기부를 중심으로 핵융합실험로(KSTAR), 원자력 수소 생산시스템, 제4 세대 원자로 등의 개발을 추진한다. 풍력·조력·태양력 등 대체·재생 에너지 분야에서는 산업자원부를 중심으로 유관 부처 협력지원체계를 확립해나갈 계획이다.

특히 원자력과 대체·재생 에너지 분야를 망라하는 수소·연료전지 R&D 개발계획을 확립함으로써 환경친화적이고 경제성이 뛰어난 전략적 미래 에너지원으로 삼을 방침이다.

이를 위해 국가 수소경제 진입계획을 기본으로 하는 세부 기술별 R&D 마스터플랜을 수립하기로 했다.



과기부 과학기술혁신본부가 이같은 미래 에너지·자원 R&D 계획 추진을 위한 총괄 기획·심의·조정 역할을 수행할 예정이다.

4세대 원전 2025년 상용화 목표

2030년 이후 에너지 위기를 해소하고 수소경제 시대에 대비하기 위한 4세대 원자로 개발 경쟁이 세계적으로 점화되는 가운데 우리 정부가 2025년 상용화를 목표로 4세대 원자로 개발에 나섰다.

4세대 원자로란 현재 세계 각국이 운영중인 원전(2세대 원자로)과 상용화 개발을 진행 중인 3세대 원자로에 이어 20년 후 각국이 도입할 차세대 원자력시스템을 가리킨다. 이미 미국, 일본 등이 자국의 모델을 세계 표준으로 채택하기 위해 발빠르게 움직이고 있다.

정부와 출연연구소에 따르면 우리 정부는 최근 4세대 원자로 기초연구를 마치고 상용화 모델 중 3개 후보 모델을 압축해 오는 7월말까지 기술적, 경제적 타당성 조사를 진행 중이다.

또 다음달 중 미국, 영국, 프랑스, 일본 등 11개국가와 4세대 원자로 공동연구협정을 체결하고 연내 연구개발 작업에 본격 착수할 예정이다.

현재 미국, 영국, 프랑스, 스위스 등 선진국이 주도하는 국제 4세대포럼(GIF:Generation IV International Forum)은 ▷가스냉각 고속로(GFR) ▷납 냉각 고속로(LFR) ▷소듐냉각 고속로(SFR) ▷용융염로(MSR) ▷초고온가스로(VHTR) ▷초임계수냉각로 시스템(SCWR)의 6종류의 4세대 원자로를 제안하고 있다.

우리 정부는 이 중 순수 전력발전용도의 SCWR, 수소생산이 가능한 VHTR, 핵연료재처리 기능이 우수한 SFR의 세 모델 중 1개 또는 2개 모델을 상용화하는 방안을 유력하게 검토 중이다.

정부는 4세대 원자로 선정 기준으로 ▷대규모 전력망에 적합한 대형 전력공급 능력 ▷소규모 전력망 또는 분산전원에 적합한 소형 전력공급 능력 ▷전력 및 출구의 고온을 이용한 수소생산 가능여부 ▷고준위 방사성 폐기물 함유물의 일종인 악티나이드의 관리(처리) 기능 등을 우선 고려한다는 방침을 세운 것으로 알려졌다.

4세대 원자로는 20년 동안 7800억원의 예산이 투입돼야 하는 대형 프로젝트로 어떤 모델을 채택하느냐에 따라 국가 경쟁력이 좌우되는 사안이기 때문에 치밀한 분석과 조사가 필요하다는 것이 전문가들의 지적이다.

4세대 원자로 유형별 모델

SFR은 원자로 출구온도가 낮아 수소생산용으로는 적합치 않지만 대용량 시스템으로 1000㎿급 전력을 생산할 수 있는 순수 발전용 시스템으로 평가된다. 재순환 핵연료주기를 채택하고 있어 핵연료 재처리도 가능하다.

VHTR은 흑연을 감속재로 헬륨을 냉각재로 사용하는 원자로로서 비순환 핵연료주기 즉 핵연료 재처리가 불가능한 시스템을 갖고 있다. VHTR의 가장 큰 장점은 수소생산과 전력생산이 가능한 복합발전 시스템이라는 것.

수소경제 시대에 대비하기 위해 미국, 일본 등이 큰 관심을 갖고 있는 시스템이다. 그러나 대형발전용으로는 부적합하고 전력보다는 수소생산에 중점을 두고 설계돼 있다.

SCWR은 물의 임계점 이상에서 운전되는 고온·고압의 수냉각로이다. 경수로에 비해 열효율이 30%이상 높다.

핵연료를 재처리할 수 있는 고속중성자 스펙트럼 방식과 재처리가 불가능한 열중성자 스펙트럼 두 가지 방식이 있다.

고속중성자 스펙트럼 방식은 핵연료를 재처리해 사용할 수 있지만 수소생산 용도로는 적합치 않고 전력생산 역시 중형급 수준이다.

4세대 원자로의 효율성
액체 금속로·수소 생산로에 관심집중

사실 우리나라가 관심을 갖는 4세대 원자로는 액체금속로와 수소생산로다. 액체금속로는 핵연료를 반복해서 사용함으로써 에너지 효율을 극대화한 것이다.

핵연료의 이용률이 3세대 원자로보다 60배나 높고, 지금까지는 사용하고 난 뒤에 곧장 폐기했던 우라늄 238을 고속증식로를 통해 플루토늄으로 바꿔 다시 사용할 수도 있다.

이에 비해 수소생산로는 원자로에서 전기뿐만 아니라 수소까지 대량 생산하는 독특한 개념의 차세대원자로다.

조만간 자동차 연료나 휴대폰 배터리 같은 대중적인 연료로 확대 사용될 것으로 예상되는 수소를 값싸게, 대량으로 생산하는 매우 획기적인 방법이다.그러나 차세대 원자로의 개발은 넘어야 할 장벽 또한 많다.

무엇보다 경제성이 관건이다. 4세대 원자로는 복잡한 설계가 필요하고 건설비용도 매우 많이 든다. 현재로서는 연료효율이 높은 새로운 원자로를 세우느니, 기존 원자로에서 더 많은 우라늄을 태우는 것이 훨씬 싸다는 계산이 나온다.

이러한 장애를 극복하고 60∼70년대 같은 원자력 르네상스 시대가 올 수 있을까.
원자력 전문가들을 일단 긍정적으로 보고 있다.

전혀 새로운 기술을 개발하는 것이 아니라, 기존의 문제들을 개선하고 안정화하는 것이기 때문이다.

고유가 시대가 이어지고 화석연료의 문제점이 갈수록 커지는 것 역시 차세대 원자력 발전에 힘을 실어주고 있다.

4.에너지 전쟁속 대체 에너지 발굴

무공해 청정은 필수요건… 수소, 연료전지, 태양력, 풍력 등 확보


전세계가 에너지 전쟁 속에 대체 에너지를 찾기에 여념이 없다. 석탄, 석유, 천연가스 등 현존하는 화석연료는 값이 저렴하고 사용이 간편하지만 ‘고갈’될 수밖에 없는 한계가 있다.

일부 에너지 전문가들 사이에서는 화석연료 매장량의 한계를 지적하는 것은 너무 성급하다는 지적도 있지만 미국의 이라크 침공에서 보듯 에너지문제는 정치·경제적 이해관계를 피해갈 수 없다. 또한 날로 심각해져가는 환경오염 문제로부터도 자유롭지 못하다.

유엔환경개발회의(UNCED)가 1992년 이후 환경오염물질 배출규제를 크게 강화하면서 국가 간의 ‘이산화탄소 배출총량’을 사고 파는 상황이 임박했다.

현실적으로도 이르면 내년부터 국가간 이산화탄소 배출량을 거래할 수 있게 될 전망이다.

이 때문에 미래 에너지 시장을 선점하기 위한 세계각국의 기술경쟁은 더욱 불꽃을 튀기고 있다.

우리나라의 경우 더욱 절박한 상황을 맞고 있다. 에너지 수입의존도가 2001년 기준으로 97.4%에 달한다. 국가발전량(2001년)인 2907억kwh의 59.3%를 화력발전에 의존하기 때문에 UNCED의 환경오염물질 배출규제에 대한 부담도 크다.

정부는 이를 위해 원자력, 수소, 연료전지, 태양력, 풍력 등 다양한 영역에서 미래 상용 에너지기술을 확보하기 위해 노력중이다. 이 같은 노력은 단순히 미래 에너지 확보차원에 머무르지 않고 경제 성장동력 확립과도 맞물려 있다.

각광받는 수소와 연료전지

수소는 가장 각광받는 미래 에너지원이다. 앞으로 경제성을 갖춘 수소를 안정적으로 제조·수송·저장·변환·이용할 방법들을 찾아야 한다. 연료전지도 수소를 이용하며 정부가 선정한 10대 차세대 성장동력사업의 하나다.

연료전지로는 고분자전해질연료전지(PEMFC), 용융탄산염연료전지(MCFC), 고체산화물연료전지(SOFC) 등이 5∼10년 내에 상용화될 것으로 예측되고 있다.

국내에서는 과학기술연구원(KIST), 에너지기술연구원(KIER), 과학기술원(KAIST), 기초과학지원연구원(KBSI), 원자력연구소(KAE-
RI), 지질자원연구원(KIGAM) 등이 기술개발에 나서고 있다.

KIST 수소연료전지사업단이 오는 2010년까지 수소 저장·운송기술과 휴대형 연료전지를 상용화할 계획이다.

KAERI를 중심으로 KIER, KIST는 원자력을 이용한 수소생산시스템인 ‘고온가스냉각방식실증로’를 만들고 있다. KIER 고효율수소에너지제조·저장·이용기술개발사업단도 자연 에너지를 이용한 물 분해 수소제조기술을 확보해나갈 계획이다.

포스코·한국전력·현대자동차·LG화학·삼성SDI·LG칼텍스정유·SK 등 굴지의 대기업들도 수소연료전지의 가치와 실현가능성을 간파하고 기술개발에 나서고 있다.

관계 전문가들은 이와관련 “2040년 무렵이면 세계가 수소 중심의 경제체계로 완전히 바뀔 것”이라며 “이미 수소 저장 및 연료전지의 시제품들이 출현하고 있다”고 말했다.

새로운 에너지원 발굴

한국에너지기술연구원은 쓰레기 매립지에서 발생하는 가스로부터 95% 이상의 순도를 가진 메탄가스를 분리해 냈다.

민간기업인 벤처템스는 천연가스와 가솔린을 함께 사용할 수 있는 고연비·저배출가스형 연료제어시스템을 만들었으며 한국지질연구원도 바닷속 300∼1000m에서 일명 ‘얼음불꽃’으로 불리는 ‘가스하이드레이트’를 캐내기 위해 기술개발에 매진하고 있다.

이처럼 화석연료 고갈과 환경문제를 동시에 해결하기 위한 다양한 시도가 전개되고 있다. 먼 미래의 일이 아닌 당장 시작해야 한다는 인식에서다.

산자부 측은 “향후 5년간 수소연료전지, 태양광, 풍력 등 대체 에너지 분야를 제2차 신·재생에너지 개발 및 보급 기본계획에 따라 집중 육성할 계획”이라고 밝혔다.

한수진 기자 [e-mail]

연구용 원자로 ‘하나로’3년내 수출 30㎿급 1기당 3000만∼4000만달러 매출 가능

한국원자력연구소가 지난 46년 간의 연구를 바탕으로 확보한 원자력 기술력을 발판으로 삼아 본격적인 원자로 수출에 나선다.

한국원자력연구소는 3년내 연구용 원자로인 하나로(HANARO·Hi-flux Advanced Neutron Application ReactOr)를 수출하고 5∼10년 내에 ‘수출 가능한 원자로’를 개발하겠다고 밝혔다.

수출 대상은 ▷국산화한 중·경수로 핵연료 ▷연구용 원자로(하나로) 자체 설계·건설기술 ▷한국 표준형 원전(KSNP) 등이다.

박창규 연구소장은 “지난 10년여 간 축적한 하나로 설계·건설·이용기술을 통해 3년 내 수출을 성사시킬 가능성이 큰 것으로 본다”며 “세계에서 가동중인 연구용 원자로 대부분이 평균 수명인 35년에 근접했기 때문에 수요가 많을 것”이라고 강조했다.

한국원자력연구소는 이를 위해 한국수력원자력, 한국전력공사, 한국원자력연료 등을 비롯한 국내 원자로 관련 기관간 컨소시엄 구성해 수출 시스템과 기술을 갖춰나갈 계획이다.

이같은 컨소시엄 구성안은 기관간 공동 출자에 의한 자회사 설립의 형태로도 검토되고 있다.

하나로 수출이 본격화되면 30㎿급 1기당 3000만∼4000만달러의 매출이 가능할 전망이다. 특히 동남아, 중남미, 중동 등 원자력 기술을 보유하지 못한 제3세계 권역에 대한 턴키(turn-key)방식 수출이 가능해질 것으로 예상된다.

한국원자력연구소는 하나로뿐만 아니라 해수담수화 일체형 원자로(SMART), 제4세대 원전, 원자력 수소 생산시스템, 방사선기술(RT) 등 기초 연구단계에서 벗어나 산업화 및 상업화할 수 있는 기술·제품에 연구력을 집중해나갈 계획이다.

박창규 소장은 “세계 에너지 시장이 ‘자원 의존형’에서 ‘기술 주도형’으로 빠르게 바뀌고 있다”면서 “차세대 원자력 기술개발과 상업화에 더욱 매진할 계획”이라고 말했다.