'원전은 기후변화의 대안인가?' 그 대답은 지난 2001년 기후변화협약 총회에서 나왔다. 결론은 '대안이 될 수 없다'였다. 23년이 지난 현재는 어떨까? 미국과 영국, 한국 등 주요 22개국은 지난해 총회에서 탄소중립을 달성하기 위해 2050년까지 세계 원자력발전 용량을 현재의 3배로 확대하자고 합의했다. 퇴물 취급받던 원전이 탄소중립의 수단으로 부상한 오늘날, 한국은 그 중심에 있다. 한국은 지난 1978년 고리원전 1호기를 시작으로 50년 가까이 원전을 운영한 경험을 토대로 글로벌 원전 시장을 확대하고 있다. 더구루는 한국이 주목하는 원전 도입국을 비롯해 주요국의 정부·에너지 기관·기업 등을 만나 △각국 원전 정책 △민·관 파트너십 △미래 원전 사업 등에 대한 정보를 확인하고 한국 원전 산업의 방향을 살펴본다. -편집자주-

 

[더구루 아이다호주(미국)=정예린 기자] "인구 수가 증가한 것과 반비례하게 상대적 전력 소비(1인당 전력 소비)는 줄어왔는데, 인공지능(AI)이 등장하면서 처음으로 상대 전력 소비량이 증가하기 시작했다. 이를 해결할 유일한 대안은 원전 뿐이다."

 

지난달 미국 아이다호주 아이다호 폴스에 위치한 아이다호국립연구소(INL)에서 만난 조 캠벨 ATR(Advanced Test Reactor) 커뮤니케이션 전문가가 글로벌 원전 산업의 현 상황을 진단한 것이다. 실제 기자가 방문한 아이다호국립연구소 각 주요 시설에서 만난 원자력 전문가들은 국가 에너지 안보와 직결되는, 현재 전력난의 '유일한 대안'이 될 에너지원에 대한 기술을 연구하고 개발한다는 자부심으로 가득차 있었다. 

 

1949년 설립돼 75년 동안 명맥을 이어 온 아이다호국립연구소는 미국 원자력 에너지 상용화의 근간이 된 시설이다. 890제곱마일(약 2300km²)에 달하는 거대한 땅에서 핵연료, 사용후연료처리 등 원전과 관련된 모든 기술을 연구한다. 현재까지 4개의 원자로를 가동중이다. 추후 소형모듈원자로(SMR)을 포함한 12개의 신규 원자로를 추가해 총 16개의 원자로를 운영한다는 계획이다. 

 

광활한 땅, 척박한 지형, 낮은 인구, 그리고 가장 중요한 무한한 물 공급까지, 아이다호국립연구소가 위치한 아이다호 폴스는 원자력 연구에 최적화된 지역이다. 아이다호국립연구소에는 아이다호 폴스 인구(약 6만5000명)의 약 10%에 해당하는 6200명이 근무한다. 1990년대 초까지만 해도 아이다호국립연구소 사이트에서 일하던 임직원 수는 약 1만2000명에 달했다. 원전 퇴출에 대한 목소리가 높아지면서 절반 이하로 줄었다가 최근 원전 부흥 기조와 맞물려 증가하고 있다.

 

아이다호국립연구소는 미국의 국가보안시설로 외부인 출입이 엄격하게 통제된다. 기자 역시 약 2주에 걸친 서류 검사를 거친 뒤 방문할 수 있는 출입증을 받고나서야 연구소 사이트 내로 발을 딛을 수 있었다. 각 연구·테스트 시설 출입 게이트에는 일반 직원이 아니라 실제 무장한 군인들이 보안 검색을 담당했다. 

 

기자가 사진이나 영상을 촬영할 때는 항상 각 시설 내 보안 담당 직원이 함께 동행하며 촬영물에 대해 허가를 받아야 했다. 특히 민감했던 건 아이다호국립연구소 직원의 '배지(출입증)'가 사진이나 영상에 등장하지 않는 것이었다. 기자와 함께 동행한 직원들은 기자가 현장에서 근무중인 연구원 등과 얘기를 나누며 촬영할 때 항상 배지를 뒷면으로 돌려줄 것을 요청했다. 사진이나 영상에 나온 출입증을 무단 복제해 외부인이 침입할 가능성을 전면 차단하기 위해서다. 최신 전자기기가 고화질을 제공하기 때문에 아무리 멀리서 찍어도 확대해서 복제, 악용될 수 있기 때문이다. 

 

 

◇ '상용 에너지원' 원자력의 시작

 

아이다호국립연구소 각 시설은 차로 이동해야 할 만큼 대지 곳곳에 위치하고 있다. 도심에서 가장 가까운 사무동에서 차로 약 1시간을 달려 가장 먼저 도착한 곳은 미국 첫 상용 원자력 발전소 'EBR(Experimental Breeder Reactor)-I'이다. 지금은 폐쇄된 EBR-I은 1951년 처음으로 원자력을 활용해 전구 4개를 켜는 역사적인 사건이 일어난 곳이다. 상용 에너지원으로서 원자력의 가치가 처음으로 입증된 것이다. 

 

EBR-I이 가진 또 다른 가치는 우리늄과 지르코늄 합금으로 이뤄진 금속 연료를 기반으로 한 원자로라는 점이다. 현재 한국과 미국 등에서 상용화된 원전들은 대부분 물을 냉각제로 활용하는데, 이는 최악의 원전 사고라 불리는 미국 쓰리마일 아일랜드(1979년)와 일본 후쿠시마(2011년) 사고의 원인이 됐다. 아이다호국립연구소는 EBR-I 원자로 운영과 연구 경험을 토대로 테라파워와 금속 연료 기반 원자로를 개발하고 있다. 지난 6월 와이오밍주에 착공한 소듐냉각고속로(SFR) '나트륨(Natrium)'이 그 주인공이다. 나트륨 역시 EBR-I과 마찬가지로 우라늄과 지르코늄 합금을 연료로 사용한다. 

 

캠벨 커뮤니케이션 전문가는 "미국은 오랫동안 새로운 원전을 건설하지 않았고, 이로 인해 원전 건설에 필요한 기술력을 많이 잃었다”며 "두산에너빌리티가 현재 세계 시장에서 큰 이점을 가진 것은 그들이 그 지식과 경험을 잃지 않았기 때문일 것"이라고 밝혔다. 

 

이어 "미국은 조지아주 보글(Vogtle) 3호기와 4호기를 가동하면서 기술력을 다시 회복하려고 하고 있다"며 "현재는 SMR와 마이크로원자로에 대한 관심도 많아졌기 때문에 우리는 그런 종류의 연구를 계속해서 이어갈 계획"이라고 덧붙였다. 

 

 

◇ '타임머신' 원자로…원전 상용화 시간 단축 묘수는?

 

차로 약 10분을 더 달리자 마침내 '아이다호국립연구소 사이트 엔터런스(Site Entrance)'라는 표지판이 나타났다. 1년에 일정 기간 박물관으로 운영돼 외부인에 오픈되는 EBR-I을 지나 본격적으로 아이다호국립연구소의 기지 안에 들어온 것이다. 

 

사이트 내에서 가장 먼저 방문한 곳은 ATR(Advanced Test Reactor)였다. ATR은 상용 원자로와 비슷한 조건에서 새로운 핵연료 종류를 시험하고 방사선 환경에서의 성능을 평가한다. 최대 250메가와트(MW)의 열출력을 자랑한다. 60일을 가동하고 30일 간 휴식하는 주기로 운영된다. 1967년부터 운영을 시작해 세계에서 가장 오래되고 강력한 테스트용 원자로라는 것이 아이다호국립연구소의 설명이다. 

 

 

ATR에 들어가자마자 눈길을 사로잡은 것은 원자로의 규모였다. 높이 약 22.9미터, 직경 약 7.9미터 크기의 원자로는 압도적이었다. 이 곳에서는 미 항공우주국(NASA)부터 웨스팅하우스, 클린 코어 토륨 에너지 등 민간 원전 회사까지 다양한 원전에 쓰이는 연료를 테스트한다. 실제 기자가 방문했을 당시에는 웨스팅하우스가 프라마톰으로부터 조달한 연료를 테스트중이었다. 

 

캠벨 커뮤니케이션 전문가는 "상용 원자로에서는 10년이 걸릴 것을 ATR에서는 단 몇 개월 만에 할 수 있다"며 "그렇기 때문에 우리는 ATR을 연료 테스트를 위한 타임머신이라고 묘사한다"고 언급했다. 

 

그는 "미국은 화성에 탐사선을 보유하고 있는데 이는 우리가 ATR에서 도움을 준 '플루토늄 238'에 의해 구동된다"며 "우리는 또 NASA가 2027년이나 2028년에 토성에 발사할 타이탄이라고 불리는 탐사선에 전력을 공급하기 위해 플루토늄 238을 더 많이 만드는 것을 돕고 있다"고 전했다. 

 

ATR은 대형 냉각 펌프 시스템도 보유하고 있다. ATR에 설치된 4개의 냉각 펌프 모터는 고온·고압 환경에서 안정적이고 효율적으로 냉각수를 순환시켜 원자로가 잘 작동될 수 있도록 보장한다. 엄청난 굉음을 내는 4개의 모터 중 2개가 가동되고 있었다. 각 냉각 펌프 모터는 약 8000마력에 달하는 강력한 성능을 보유하고 있다. 이를 통해 분당 약 4만3000갤런의 물을 순환시킨다. 

 

 

◇ 세계 유일 원자로 연료 인증 기관

 

아이다호국립연구소에서 마지막으로 방문한 곳은 핵연료와 재료를 시험하고 고온·고압 환경에서 재료 성능 연구 등을 수행하는 MFC(Materials and Fuels Complex)였다. MFC는 1960년대 후반부터 1990년대까지 운영됐던 고온가스로냉각로(FBR) 'EBR-II'의 거대한 모습이 MFC 내 어느 시설을 가도 한 눈에 들어오는 모습이 인상적이었다. 

 

EBR-II는 차세대 핵연료 공급원으로서 역할을 수행하고 있다. 아이다호국립연구소는 구형 EBR-II 핵연료를 사용해 고농축 연료를 20% 이하로 섞은 저농축 우라늄 연료를 만들고 있다. 이 연료는 오클로의 첫 번째 원자로에 연료로 사용될 예정이다. 

 

MFC 내 TREAT(Transient Reactor Test Facility)과 HFEF(Hot Fuel Examination Facility)을 둘러보고 전문가들을 만났다. 

 

 

TREAT은 핵연료 실험, 핵연료 안전성 평가, 핵 사고 시나리오 시뮬레이션 등을 실시하는 곳이다. 1959년 가동을 시작한 뒤 1994년 운영을 중단했다가 2014년 재오픈했다. 2011년 일본 후쿠시마 원전 사고가 오랫동안 잠겨 있던 TREAT의 문을 다시 여는 계기가 됐다. 후쿠시마 사고 후 핵연료 안전성과 사고 상황에서의 연료 행동에 대한 연구의 중요성이 높아졌기 때문이다. 

 

캠벨 커뮤니케이션 전문가는 "TREAT은 실험 연료를 넣고 아주 강력한 에너지를 가해 고의로 고장 나게 만들기 위해 만들어졌다"며 "이런 실험을 통해 최대로 견딜 수 있는 온도를 알아내고, 원자로의 안전 한계를 파악해 원전에 대한 안전 기준을 설정하는 것이 목적"이라고 설명했다. 

 

일명 '핫셀(Hot Cells)'이라고 불리는 HFEF은 핫셀을 사용해 고온과 방사능을 다룰 수 있는 환경에서 핵연료와 방사성 물질에 대한 분석을 수행하는 시설이다. 핫셀은 방사성 물질을 물리적으로 차단하고 안전하게 다룰 수 있도록 설계된 특수 실험실이다. 

 

HFEF 내부에 들어가자마자 보이는 것은 노란색 조명이 비추고 있는 공간 외부로 여러개의 창이 있고 기계식 집게 팔이 천장에 매달려 있는 모습이 눈에 띈다. 노란색 조명이 창문 밖으로 비치고 아르곤으로 가득찬 세로 약 2.5미터 길이의 공간이 핫셀이다. 방사선 차단과 시각적 편의성, 안전성 등을 위해 외부에서 내부를 볼 때는 노란색으로 보일 수 있도록 했다. 핫셀 주변을 둘러싸고 있는 창 역시 4피트(약 122cm) 두께의 고강도유리다. 

 

 

핫셀은 HFEF가 운영을 시작한 1975년 이후 아무도 들어간 적이 없는 '금단의 구역'이다. 얼핏 보면 노란 조명 아래 쓰레기장처럼 보이지만 약 50년간 이어진 아이다호국립연구소 연구에 대한 기록이다. 다만 핫셀은 금속 재료만 다룬다. 실험별로 구역이 나눠져 있는데, 일부 구역에는 의자를 비롯해 온갖 생활용품들이 놓여져 있다. 

 

자동화가 빠르게 추진되고 있는 다른 시설과 달리 핫셀은 여전히 일부 아날로그 방식이 적용되고 있다. 핫셀 내부를 휘젓고 다니는 집게 팔은 로봇이 아니라 기계식으로 연구원들이 실제 물건을 들 때와 같은 물리적인 힘을 줘야한다. 이런 불편을 감수하는 것은 로봇이 고방사선 환경에서는 제대로 작동하지 않기 때문이다. 

 

ATR에서 약 1~2년 간의 실험을 마친 후 핵연료를 HFEF로 옮겨온다. 이후 핫셀에서 연료를 분리하고 재활용하고 분석·평가한다. 중성자 방사선 촬영을 통해 물질 내부에서 일어난 변화를 확인한다. 중성자는 물질을 통과할 수 있어 내부까지 들여다볼 수 있다. 연료를 자르고 금속 분석을 위한 샘플을 만들어 다른 시설로 보내 전자현미경을 사용해 연료의 거동을 원자 규모로 분석하기도 한다. 하나하나 다 뜯어서 들여다 본다. 말그대로 '씹고, 맛보고, 즐기는' 것이다. 모든 절차를 거치면 핵연료로서 활용할 수 있는 인증을 받게 되는데 보통 10년 이상이 소요된다. 

 

 

HFEF에서 만난 에런 크래프트 아이다호국립연구소 연구과학자는 "새로운 원자로를 건설하기 위해서는 모든 연료와 재료 시험을 거쳐 인증을 받아야 한다"며 "이곳에서 우리는 단 하나의 질문을 다루는데, 바로 '연료가 반응로에서 어떻게 성능을 발휘했는가?' 하는 것"이라고 강조했다. 

 

그는 "우리(아이다호국립연구소 HFEF)는 미국에서 새로운 원자로 연료와 재료를 개발하고 자격을 부여하는 유일한 장소"라며 "우리는 연료가 원자로에서 어떻게 작용하는지 이해하고, 그 재료 특성을 파악하는 다양한 시험을 진행해 실리콘 카바이드, 트리소, 우라늄 실리사이드 등 여러 가지 연료에 대한 자격을 부여한다"고 덧붙였다. 

 

 

◇ "원전 안전선 이미 입증…2020년대 후반부터 SMR 배치"

 

아이다호국립연구소는 미국 국립 연구소 중 특히 원자력 에너지 분야에 특화돼 있다. 미 NASA 등 공공 기관 뿐만 아니라 △뉴스케일파워 △카이로스 △테라파워 △엑스에너지 등 민간 기업들과 활발한 협력을 통해 미 '원전 부흥'을 견인하는 데 앞장서고 있다. 아이다호국립연구소 핵 과학·기술 부연구실장(Associate Laboratory Director)인 제스 게힌(Jess Gehin) 박사와 미국을 포함한 글로벌 원전 산업의 현재와 미래에 대해 얘기를 나눠봤다. 

 

Q: 아이다호국립연구소의 역할은 무엇이며 진행중인 원자력 관련 연구 개발의 예시를 제공해 주실 수 있나요?

A:  아이다호국립연구소는 에너지부 원자력 에너지 사무국의 주요 연구소로서, 산업 파트너들과 긴밀하게 협력하여 원자로 기술 및 연료 주기 과정의 발전을 이끌고 있습니다. 혁신을 촉진하고 기술적 지원을 제공함으로써 미국 원자력 산업의 지속 가능성과 성장을 보장하는 데 중요한 역할을 하며, 이는 국가의 에너지 안보와 환경 목표에 기여합니다.

저희는 △고온·차세대 원자로를 위한 연료 및 재료 시험 △첨단 모델링·시뮬레이션 기술 개발 △원자력 원자로의 안전성 및 규제 분석 수행 △원자력 연료 주기 연구 및 개발 (연료 재활용·사용 후 연료 저장 포함) △원자로 시험 및 시연을 지원하는 시험설비 개발 등을 진행하고 있습니다. 

 

Q: 전 세계적으로 SMR 채택에 있어 미국이 특히 적극적인 것으로 보입니다. 그 이유는 무엇이라고 생각하시나요? 

A: 미국은 대형 원자로의 높은 비용과 긴 건설 기간 문제를 해결하기 위한 방법으로 SMR을 일찍 개발한 국가입니다. SMR은 또한 원자력 발전의 확장 가능한 배치 옵션을 제공합니다. 최근에는 영국, 캐나다, 동유럽, 아프리카 등지에서도 SMR에 대한 국제적인 관심이 증가하고 있습니다.

 

Q: SMR의 본격적인 채택과 확장이 언제 이루어질 것으로 보시나요? SMR의 확장에 있어 정부와 기업들이 어떤 역할을 해야 한다고 생각하시나요?

A: 첫 번째 SMR은 이번 2020년대 후반쯤 배치될 예정이며, 그 후 대규모 배치가 이어질 것입니다. 미국 정부는 SMR의 배치를 지원하기 위해 기술 개발, 규제, 그리고 일부 경우에는 재정적 지원을 제공할 것입니다. 기업들은 SMR 배치를 주도할 것입니다. 

 

Q: SMR의 채택에 대해 안전성 문제 등 회의적인 시각도 존재합니다. 이에 대한 의견은 무엇인가요?

A: SMR은 높은 안전성을 가지고 있습니다. 그 안전성의 많은 부분은 운영자의 개입을 최소화하는 수동적 안전 메커니즘에 의해 보장됩니다.

 

 

Q: SMR 연구의 현재 상태는 어떠한가요? SMR 연구는 어느 정도 진전되었나요?

A: 아이다호국립연구소는 다양한 SMR 기술에 대해 연구를 수행하고 있습니다. 여기에는 경수 기반이 아닌 SMR과 매우 작고 이동 가능한 원자로(마이크로 원자로)가 포함됩니다. 주요 연구 개발 분야는 연료 및 재료와 계측 및 제어 시스템입니다. 마이크로 원자로 개념에 대한 연구는 상당히 진전되었으며, 아이다호국립연구소에서 마블(MARVEL) 마이크로 원자로가 2027년 말에 가동될 예정입니다.

 

Q: 마이크로 원자로와 SMR의 차이점은 무엇인가요?

A: 마이크로 원자로와 SMR은 모두 고급 원자력 원자로 기술입니다. 두 기술은 기존의 원자로보다 본질적으로 더 안전하게 설계되었으며, 유연하고 확장 가능한 안전한 에너지 솔루션을 제공하는 것을 목표로 합니다. 

그러나 크기, 출력 및 응용 분야에서 상당한 차이가 있습니다. 마이크로 원자로는 초소형 원자로로, 일반적으로 20메가와트 이하의 열 에너지를 생산하며, 300메가와트의 전력을 생산합니다. SMR은 모듈화 건설의 이점을 제공하며, 이는 공장에서의 제작과 현장에서의 건설 시간 및 비용 절감을 가능하게 합니다. SMR은 전력망 규모의 전력 생산, 산업 공정 열, 담수화와 같은 다양한 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 특히 소규모 전력망이 있는 지역이나 점진적인 용량 증설이 필요한 지역에 적합합니다.

 

Q: 원자력 에너지의 장점은 무엇인가요?

A: 원자력 에너지는 화석 연료와 다른 청정 에너지원에 비해 여러 가지 주요 장점을 제공합니다. 원자력은 온실가스 배출이 매우 적어 기후 변화와의 싸움에 중요한 기여를 합니다. 또한, 높은 에너지 밀도를 바탕으로 적은 양의 연료로 대량의 전기를 생산할 수 있어 안정적인 기저부하 전력 공급원을 제공하며 전력망 안정성에 기여합니다. 

원자력 에너지는 에너지 공급을 다변화하고 수입 화석 연료 의존도를 줄여 에너지 안보를 강화합니다. 원자력 산업은 고임금 일자리와 기술 혁신을 통해 경제 성장을 촉진합니다. 이러한 장점들은 원자력 에너지가 지속 가능하고 저탄소 에너지 미래를 실현하는 데 중요한 구성 요소임을 잘 보여줍니다.

 

Q: 원자력 산업에 대한 비판적인 시각, 특히 사용 후 연료 재활용 문제와 원자력 사고의 위험성에 대한 우려가 있습니다. 이에 대한 생각은 무엇인가요?

A: 원자력 에너지는 에너지 생산 단위당 사망자 수와 같은 지표를 기준으로 가장 안전한 에너지 생성 방식 중 하나로 입증되었습니다. 이러한 안전성 수준은 강력한 규제 절차와 탁월한 원자로 설계 및 운영을 통해 보장됩니다. 현재 사용 후 연료 관리 방식은 건식 저장 용기에서의 장기 저장입니다. 이 방법은 안전성이 입증되었으며 수십 년에서 100년 이상 안전하게 저장할 수 있습니다. 사용 후 연료 재활용은 경제적 경쟁력을 확보하고 핵 확산 위험을 최소화할 수 있도록 연구가 진행 중인 미래의 선택지입니다.

 

※본 기획물은 정부광고 수수료로 조성된 언론진흥기금의 지원을 받았습니다.