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자유토론
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| 지구 온난화, 핵에너지 논쟁 |
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| 글쓴이 : kopsa
날짜 : 12-06-30 12:34
조회 : 3235
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지구 온난화, 핵에너지 논쟁
2006년 3월에 출간한 아래 링크의 ‘흥미 있고 진지한 과학 이야기’ 4장 과학기술과 환경 그리고 정치 7. 지구 온난화, 핵에너지 논쟁 글입니다. 당시는 러시아 체르노빌, 미국 스리마일섬 사고 외에는 원자력 발전소 사고가 없었는데 이번 일본 후쿠시마 사고는 원자력 발전에 대한 의심을 키워주었습니다. 이 항목은 책의 제목과는 달리 다른 항목에 비해 그리 흥미 없어 보이나 읽어보시고 의견을 적어 주시기 바랍니다.
‘흥미 있고 진지한 과학 이야기’ 내용 소개 및 목차
http://www.kopsa.or.kr/gnu4/bbs/board.php?bo_table=Books&wr_id=17
(지구 온난화, 핵에너지 논쟁)
과학과 기술에서 에너지야 말로 21세기 인류가 당면한 가장 중요한 이슈이다. 2005년 다음과 같은 미 화학회 뉴스레터 편집인의 말이 적절해 보인다. “석탄은 산업 혁명의 연료였고 화석 연료(석유와 천연가스)와 이보다는 적지만 핵에너지가 20세기에 일어난 놀라운 기술 변화의 동력이 됐다. 그러나 화석 연료는 두 가지 넘기 어려운 장벽을 오르고 있다. 하나는 석유 생산이 다음 10년 내에 최대에 이를 것 같고 다른 하나는 화석 연료에의 의존이 격변적 지구 온난화로 인도할 것 같다는 것이다.”
화석 연료 자원이 고갈될 것인지, 언제 고갈될 것인지의 논쟁도 있다. 석유 탐사로 새로운 자원이 발견되고 있지만 사용 속도를 감안하면 화석 연료 자원은 40-70년 내에 고갈될 것으로 예측하기도 한다. 그러나 증명된 그리고 증명되고 있는 저장량으로 미루어 고갈이라고 하기 보다는 새로운 저장소에서 석유를 얻을 때의 비용과 가격이 점차 높아질 것이기 때문에 화석 연료 사용이 한계에 도달할 것으로 생각된다.
또한 지구 온난화에 대한 우려가 크며 논란이 있다. 지구 온난화가 과장됐다고 주장하는 측에서는 방글라데시 등 지역의 여름철 우기의 홍수는 자연 현상인데도 홍수에 잠긴 집을 극적으로 보여주며 온난화를 경고하는 식에 반감을 표시한다. 이들은 그린랜드나 알프스 빙하가 녹는 사진도 지난 몇 십 년 동안의 이산화탄소 농도의 증가 때문이라기보다는 얼음 표면에 쌓인 먼지가 역할을 했을 것으로 본다. 먼지는 태양 에너지를 반사하기 보다는 흡수하기 때문이다.
또한 온난화 현상 반대 가운데는 지구 온도는 불안정하며 6-7000년 전에는 현재보다도 섭씨 3-5도 높았다는 주장도 있다. 그린랜드의 해안이 900년 전에는 얼음이 없는 풀로 덮여 있었다고 하는 것도 같은 선상의 주장이다. 하지만 지구 온난화 문제를 다루는 ‘기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)’의 과학자들도 기후의 불안정성을 모르는 것은 아니다. 이들은 여러 불확실성을 감안하여 이산화탄소의 농도가 현재 상태로 증가하면 2100년에는 현재의 두 배가 되고 그 때의 기온은 현재보다도 섭씨 1.5-4.5도 높아질 것이라는 과학적인 결론과 합의에 도달한 것이다.
2005년 발효된 교토 의정서는 온실가스 감축을 통해 이 온도 증가를 최소한으로 하기 위한 국제적인 노력이다. 이때 온실가스라 함은 이산화탄소를 위시하여 이산화질소, 메탄, 불화탄소, 수소화불화탄소, 불화유황 등을 말한다. 그리고 39개 1차 의무 이행 국가는 2008-2012년까지 온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2%까지 감축할 것을 규정하고 있다. 그러나 아직 미국과 중국 등이 불참하고 있다. 우리나라는 1차 의무 이행 국가에 포함돼 있지 않지만 대비가 필요하다.
이와 같은 온실가스 방출 제한 조처가 마련되자 핵에너지 옹호론자가 힘을 얻게 됐다. 현재 핵에너지의 규모는 지구 총 에너지 생산의 6%이며 핵에너지 자원을 이용하는 국가의 주 에너지 공급의 10% 정도를 차지한다. 또는 전 세계 전기의 16%가 핵에너지에서 나오고 그중 85%가 공업 국가에 집중돼 있다는 통계도 있다. 핵에너지 옹호론자는 이 비율을 높일 것을 주장한다. 우선 핵 발전에 대해 살펴본다.
핵 발전은 핵자(중성자, 양성자)가 결합돼 있는 상태와 분열된 상태 사이의 질량 차이, 즉 질량 결손만큼의 에너지가 방출되는 원리에 기초한다. 핵분열 산물의 핵자 당 평균 결합에너지는 대략 8.5MeV이다. 우라늄-235의 핵자 당 결합에너지는 7.6MeV이기 때문에 핵분열 과정에서 한 개의 핵자가 내 놓는 에너지는 0.9MeV이다. 에너지를 방출하면 안정화되고 그 만큼 결합 에너지는 커진다는 의미이다. 이때 234개의 분리가 필요하므로 211MeV(234x0.9MeV)의 에너지를 방출한다. 이 에너지의 대략 86%가 핵분열 단편과 중성자의 운동에너지 형태로 즉각적으로 방출되므로 대략 200MeV가 방출된다고 볼 수 있다. 1몰 (235g)의 우라늄의 핵분열에서 방출하는 에너지는 대략 1.2x10^26MeV[(6x10^23)(200MeV)]이다.
어떤 원자로나 기본적으로 연료봉, 감속제, 제어봉, 냉각제의 4가지 요소로 구성되어 있다. 1942년 12월 페르미의 CP-1(시카고 파일 1호)이 최초의 원자로인데 이 원자로는 흑연 벽돌(감속제) 사이의 산화우라늄(U-235, 연료봉)과 밑의 중성자 발생원으로 구성되었다. 핵분열은 중성자를 흡수하는 카드뮴 봉(제어봉)으로 조절하였다. 여기에 핵 발전에는 발생하는 열을 흡수하는 냉각제가 필요하다. 1951년 최초로 발전에 성공한 아이다호 국립 원자로 시험소(NRTS)의 실험 원자로 1호기(EBR-1)는 U-235(소량)와 U-238(다량)을 연료로 한 열증식로이다. 그리고 Na-K의 액체 금속 냉각 방법을 사용하였다.
원자로는 흔히 냉각제로 분류한다. 냉각제로 물을 사용한 경우는 경수, 중수에 따라 경수로, 중수로로 부른다. 물 냉각 반응로는 물이 냉각제와 감속제의 역할을 동시에 수행한다. 가압-수 반응로(PWR)가 가장 일반적이다. 물외에도 기체를 사용한 기체 냉각 반응로가 있는데, 이 경우 기체는 CO2나 CO2-He을 사용한다. 이때 감속제로 일반적으로 흑연을 사용하며 붕소 제어봉으로 반응을 제어한다. 개량형 기체-냉각 반응로(AGR)에는 냉각제로 Na나 Bi-Na을 사용하는 액체 금속 냉각 방법도 있다. 이 경우 흑연이 감속제가 된다.
각각의 냉각제의 조건에서 열 중성자 증식로의 경우 99.3%의 우라늄-238에 0.7%의 우라늄-235를 넣은 것과 우라늄-235의 양을 증가시킨 것의 두 가지가 있다. 고속 증식로(FBR)에는 느린 중성자를 만들기 위한 감속제를 사용하지 않고 직접 빠른 중성자로 우라늄-238을 분열시킨다. 이때 우라늄-238은 분열에 의해 플루토늄으로 변한다. 이 플루토늄은 재추출하여 장전한다.
전 세계 에너지 수요는 2050년까지 현재의 두 배 그리고 2100년이 되면 세배로 증가할 것으로 예측된다. 이 에너지 수요에 맞추기 위해 그리고 온실가스의 문제를 해결하기 위해 새로운 에너지의 개발이 지극히 중요한 과제이다. 그리고 이 에너지는 지속성 자원이어야 하며 태양, 풍력, 조력, 그리고 바이오 에너지 등 재생 에너지 개발이 중요할 것임은 말할 것도 없다. 그러나 아직 재생 에너지는 경제성과 설비 등 개발이 필요한 분야이기 때문에 얼마나 역점을 둘 것인지, 그렇다고 핵에너지의 비중을 높여야 할지의 논란이 일 수 밖에 없다.
미국에서 핵에너지 옹호론자는 현실적인 자료를 제시한다. 1990년 미국의 핵에너지는 전체 전기의 20%를 차지했으며 만일 이만한 전력을 화석 연료가 생산했다면 여분의 1억 4000만 톤의 온실가스를 만들었을 것이다. 현재 핵 발전은 매해 온실가스 1억 5500만 톤의 대기 방출을 억제한다. 1992년 리우 협약대로라면 온실가스 배출을 1억 6000만 톤 감축해야 하는데 핵에너지가 아니라면 자동차, 산업, 또는 발전소 방출을 2배 줄여야 하며 이것이 가능하지 않기 때문에 핵에너지의 사용이 증가해야 할 필요가 있다는 것이다.
그러나 핵에너지에 대한 환경주의자의 반대는 전통적으로 강하다. 이들이 핵에너지에 반대하는 가장 큰 이유는 사고와 환경 안전 문제이다. 러시아 체르노빌 사고와 미국 스리마을 섬 원자력 발전소 사고와 같이 인간의 과실과 형편없는 디자인, 운영, 유지관리 등의 문제로 인하여 발생할 위험이 크다는 주장이다. 그리고 핵 발전에 수반하는 주변 환경과 핵폐기물 저장과 관련한 안전성 문제도 있다. 또한 핵에너지 반대에는 핵무기 확산의 문제도 있다.
안전 문제와 함께 핵에너지 반대론자는 비용적 계산도 내 놓고 있다. 같은 전력 생산에 핵발전소 건설비용이 천연가스 발전소 건설보다 3배나 더 크며 실제로는 풍력, 바이오매스, 지구 열 발전 등의 많은 재생 에너지 방법보다도 비용이 더 많이 소요된다고 주장한다. 따라서 이들의 주장은 단기적으로는 석탄 연료 발전소를 석탄보다 두 배나 더 깨끗한 천연가스 발전소로 바꾸어 같은 전력 생산에 4배나 온실가스를 감소시킬 수 있고 장기적으로는 재생에너지의 개발로 방향을 잡아야 한다는 것이다.
핵에너지 옹호론 측의 핵 발전 위험성에 대한 반론도 있다. 그 동안 32개국에서 상업적으로 운영되는 11,000 반응로-년에서 단지 두 번의 사고였으며 스리마을섬 사고는 통제된 가운데 일어났고 체르노빌이 예외인데 이것은 근원적인 문제를 가진 것이다. 그리고 핵 발전도 경제성과 안전성을 향상시킨 설계로 바뀌고 있다는 주장이다. 이것이 현재 개발되고 있는 제 4세대 원자로인데, 그 중에 ‘모듈식 페블 베드 원자로(PBMR)’가 신문에도 보도되고 있다.
PBMR은 한 개의 전력 생산이 기존 원자로(한국형 표준은 100만㎾급 정도이다)의 10분의 1 정도이며 이 원자로 10개 까지를 하나의 통제센터에서 관리할 수 있도록 돼 있다. 기존 원자로의 연료봉 대신에 페블(자갈의 의미)이라고 부르는 연료 구를 사용한다. 한 개의 연료 구는 흑연으로 도포한 테니스 공 크기이다. 개개 페블 내에는 15,000개의 우라늄 입자가 들어가고 이것을 실리콘 탄소막으로 코팅하여 기체나 금속성 방사능 산물이 탈출할 수 없도록 한다. 이때 8% 정도로 농축한 우라늄을 사용한다. 한 개의 원자로는 440,000개의 페블로 채우는데 이 중에 4분의 3은 연료 구이고 4분의 1은 흑연 구이며 흑연은 여분의 핵 감속제의 역할을 한다. 이 원자로는 연료 페블에 He 기체가 통과하도록 하여 He을 가열시켜 터빈을 돌린다. He은 다른 원소와 반응하지 않기 때문에 타거나 방사능을 띠지 않는다. 연료를 재충전하는 방식은 사용한 연료 페블을 계속 위로부터 원자로 노심으로 충전하고 밑으로 제거하는 방식이다.
PMBR은 위에 언급한 페블과 He이 안전성에서 유리하며 수동적 안전 설계라는 특징을 강조하고 있다. 즉 냉각이 통제되지 않을 경우도 짧은 시간 내에 핵반응이 정지되어 냉각되고, 노심의 최대 온도도 연료 구를 파괴하기에는 훨씬 낮고, 핵폐기물과 관련하여 연료 구의 처리가 유리하다는 것이다. 핵에너지를 중점적으로 적었으나 미래의 에너지는 재생 에너지라는 것은 틀림없다. 미국도 이를 모르는 것이 아니다. 최근 미 에너지부(DOE)의 보고서도 “미래를 위해 깨끗한 에너지의 충분한 공급을 찾는 것은 이 사회의 가장 굴할 수 없는 도전의 하나다”라고 적고 있다. 그래서 태양 에너지 기술의 개발에 박차를 가할 것이라고 하는데, 아직 기술 개발 단계라는 것이 한계로 보인다.
참고 자료
*Best, Steven, Lindsay, Richard, and Brown, Zach, Nuclear History. http://www.anlw.anl.gov/anlw_history/general_history/gen_hist.html
*Completing Visions of a Hydrogen Economy, C&EN, August 22, 2005, p. 30.
*Freemantle. Michael, Nuclear Power for the Future, C&EN, September 13, 2004, p. 31.
*Hileman, Bette, Climate Change, C&EN, December 15, 2003, p. 27.
*Johnson, Jeff, Putting a Lid on Carbon Dioxide, C&EN, December 20, 2004, p. 36.
*Misleading Math about the Earth, Scientific American, January 2002, p. 59.
*The Nuclear Energy Debate-relevant information. http://www.naturaledgeproject.net/TNEPArticlesNuclear.aspx
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