고속로의 결정적 약점, 플루토늄 대량생산

[핵연료 재처리 진단과 대안 ⑦]

작년 말 UAE에 원전수출이 확정된 후, 원자력산업은 한국 경제의 새로운 돌파구가 된 것처럼 과대포장되어 정치적으로 이용되고 있다. 계약당시 소수 언론사를 제외하고는 한국의 언론들은 제대로 된 분석과 비평 기능을 실종한 듯 했다. 계약당시 흘러나왔던 파병설은 최근의 특전사 파병으로 확인되었지만 여전히 계약서는 공개되지 않은 채 저가공급은 물론 고정가격 계약, 완공연기에 따른 손해배상 등 불리한 조건으로 계약을 체결했다는 소식이 해외에서 들려오고 있다.

한편, 2014년에 종료되는 한미원자력협정을 연장하기 위한 실무 협상테이블이 시작된 후로 '파이로 프로세싱'이라는 새로운 재처리 방식으로 핵확산 걱정이 필요 없다는 주장에서부터 '핵주권론'까지 심심찮게 등장하고 있다.

한미원자력협정에서는 미국산 원전설비와 핵연료를 미국의 허가 없이 변형・가공할 수 없게 되어 있는데, 올 10월부터 시작한 차기협정 교섭을 통해 한국의 재처리 추진파는 '파이로 프로세싱'으로 재처리를 할 수 있도록 협정문을 개정하고 싶어 한다. 하지만 사용후 핵연료의 재처리는 핵무기원료인 플루토늄을 추출하기 때문에 국제적으로 매우 민감하다.

국내의 재처리 추진파들은 파이로 프로세싱이라는 새로운 재처리방식은 플루토늄을 단독으로 추출할 수 없으므로 핵확산에 연결되는 위험성이 적고, 재처리한 후의 우라늄도 재활용할 수 있어 경제성도 높다고 주장한다. 동시에 재처리와 떼놓을 수 없는 새로운 원전인 고속로를 개발하면 사용후 핵연료속의 우라늄자원의 재활용률을 더욱 높일 수 있으며, 거의 무한정의 자원을 얻을 수 있다고 말한다.

문제는, 이렇듯 특정 이해집단들의 주장과 잘못된 정보만 일방적으로 대중들에게 소개되고 있다는 것이다. <프레시안>은 이런 문제의식을 가진 장정욱 마쓰야마대 경제학부 교수의 주장을 8회에 걸쳐 연재한다. 장정욱 교수는 일본에서 재처리와 원전의 경제성을 연구한 학자다.

장 교수는 연재를 통해 1) '파이로 프로세싱' 재처리방식도 핵확산에 연결될 수 있다는 점 2) 사용후핵연료의 93～94% 재활용이 가능하다는 주장에 비해 사실은 플루토늄의 1～1.2%의 재활용에 불과하다는 점 3) 어떤 형태의 재처리라도 몇백조원에 달하는 막대한 비용이 필요하고 안전성이 보장되지 않는다는 점 4) 고속로 개발 역시 경제성과 안전성이 없으며, 홱확산에 연결된다는 점 등의 문제점을 짚어갈 예정이다. <편집자>

7. 고속로, 백해무익하다

고속(증식)로는 1951년에 미국이 최초로 개발하여 그 후 러시아와 영국이 실험로를 중심으로 연구하였다. 원자로는 실험로, 원형로, 실증로, 상업로처럼 단계적으로 규모를 확대해 간다.

미국은 카터정권이 1977년에 핵확산에 연결될 가능성이 높은 재처리의 중지 및 고속증식로의 연구의 연기를 발표하여 정체기를 맞이하는 반면, 1960년대에 고속로의 연구를 시작한 프랑스가 적극적인 개발에 나선다.

프랑스에서는 1973년에 원형로 피닉스(Phenix, 25만kW), 1985년에 실증로 슈퍼 피닉스(Super Phenix, 124만kW)가 지속적인 핵분열이 일어나는 임계(臨界) 즉 가동에 들어갔다. 그러나 피닉스는 사고와 고장 등으로 연료의 증식이 아니라, 사용후 핵연료의 MA(특히, 초우라늄원소)의 변환 등에 관한 핵연료의 조사(照査)와 같은 연구개발용으로 운영되어 왔다가 결국 올 2월1일에 가동을 마쳤다.

한편, 슈퍼피닉스는 1986년에 가동한 후 사고로 곧 중지되었다가 1994년에 핵폐기물의 연소용으로 재가동하나 다시 사고와 고장, 비용문제로 결국 1998년에 폐쇄가 결정되었는데 설비의 이용률은 고작 1.1%였다.

일본의 원형로 몬쥬(もんじゅ、28만kW)는 1995년 12월에 출력 40% 수준의 성능시험 중에, 배관에 삽입되어 있던 온도계 틈새로 나온 나트륨의 화재・폭발사고로 14년 5개월간 가동이 중지되어 있었다. 그 후, 2007년부터 재가동을 위한 확인작업을 해 왔으나 기기의 고장 그리고 1995년 사고시의 촬영필름의 은폐・조작 등으로 인한 입지지역의 불신 등으로 재가동이 계속 연기되고 있었다.

원형로 몬쥬는 올 5월에 성능실험을 위한 재가동을 겨우 시작하였으나, 출력이 거의 없는 상태(0.3%)에서도 노심에서의 기기의 낙하사고 및 고장 등이 계속 발생하였다. 금후 3년간에 걸쳐 단계적으로 출력을 높이는 성능확인과정을 거쳐 본격 가동할 계획이 다시 연기될 것으로 예상되고 있다. 현재, 세계적으로 고속로의 개발은 원형로 수준에 머물고 있으며, 일본도 작년에 당초 2035년경을 예상한 상업로의 건설을 2050년으로 연기하지 않을 수 없었다. 인도가 고속로의 개발에 적극적이나 안전성을 무시한 군사용 목적이 강하여 IAEA의 사찰대상에서도 제외되어 있다. 중국도 실험로가 임계에 달했지만 상용화의 가능성은 예측할 수 없는 상태이다.

한편, 일본의 원형로 몬쥬의 경제성을 보면, 당초 건설비용은 360억엔서 임계에 달한(완성) 1994년에 4,000억엔으로 늘어났으며, 개발비(1,860억엔) 및 그동안의 유지비용을 포함하면 2009년말 현재 약 9,032억엔(약10조 8,384억원)에 달한다. 게다가 (재)가동기간인 2013년까지 연간 최소 200～300억엔의 유지・보수비용이 필요하다. 그리고, 건설비도 관련업체의 견적으로는 1조엔정도였지만, 가격교섭에 따른 건설의 지연 및 발주자측과의 관계유지를 위해 손해를 감수하며 가격을 맞출 수 밖에 없었다는 발언도 있다. 일본에서 100만kW급의 원전(경수로)의 건설비가 3,500억엔정도인데, kW당의 건설비를 비교하면 고속로가 경수로보다 ４배나 비싼 셈이다. 여기에는 실험로 및 전용의 연료(MOX)의 제조시설의 건설 및 유지・보수비용 계3,873억엔은 제외되어 있다.

때문에 올 5월의 재가동시에, 경수로의 경제성의 계속적인 향상 등을 고려하면, 고속로의 건설이 거부되는 상황이 발생할 수도 있다는 관계자들의 우려가 매스컴에 소개된 적이 있다. 왜냐하면, 과거 민간기업인 전기사업자들이 일본정부가 국책으로 추진해 왔던 신형전환로(ATR)의 건설을 높은 비용 때문에 거절한 적이 있었기 때문이다. 참고로 프랑스의 실증로 슈퍼피닉스의 1994년기준의 건설비는 344억프랑으로 약10조원을 넘는다.

원형로 몬쥬는 섭씨 98도에서 액체로 변하는 금속나트륨 약 1,500t을 냉각재로 사용하고 있다. 고온의 나트륨은 공기와 접촉하면 화재, 물과 접촉하면 폭발하는 성격을 가지고 있어 세계적으로 나트륨누출로 인한 화재사건이 없었던 고속로가 없을 정도이다. 특히 증기발생기 안에서 고온의 나트륨배관은 물이 통하는 배관에 열을 전달하여 그 증기로 발전하게 되는데, 이 배관의 두께는 약3cm정도이며 두 배관의 압력차도 150기압로 높아 나트륨과 물과의 접촉에 의한 폭발사고의 리스크가 늘 함께한다.

또 액체나트륨은 불투명하여 이물질이 섞일 경우에는 분별이 어려운 점 등 관리가 대단히 곤란한 물질이나 다만 열전도열이 높아 고속로의 냉각재로서 선호되고 있다. 원형로 몬쥬에서는 최근 원자로의 노심부분에 기기가 낙하하는 사고가 발생하였는데, 나트륨 속에 파편이 들어갔는지를 정밀하게 확인해야 하는 작업 때문에 재가동의 연기가 불가피하게 되어 있다. 그리고 중성자가 감속하지 않도록 임계(臨界)량보다 몇배나 많은 MOX연료 즉 플루토늄량을 사용하는데 연료봉의 이상(異常)으로 폭주할 가능성도 배제할 수 없다. 참고로 납 또는 납・비스마스(Bi)등을 이용한 고속로는 나트륨 이용보다는 안전성은 뛰어나지만, 고온 부식에 대한 재료의 개발, 낮은 열전도열, 무거운 비중에 따른 배관의 구조 등에 문제점이 있다.

또 고속로의 결정적인 약점은 핵확산에 직접 연결되는 플루토늄을 대량생산하는 점이다. 고속로는 노심부의 핵연료뿐만 아니라, 증식을 위해 노심의 주변(Blanket, 외곽부)에 열화우라늄을 장착하여 플루토늄으로의 변환을 꾀하는데, 이것을 재처리하면 핵무기급의 플루토늄이 생산된다는 점이다. 예를 들면, 일본의 원형로 몬쥬의 경우, 노심부에 5.9t의 MOX연료와 주변에 17.5t의 열화우라늄(농축과정에서 나오는 폐기물)을 장착하는데 사용후 핵연료 약 5t속에 약 92kg의 핵무기급의 플루토늄이 포함되어 있다. 참고로 핵무기개발기술이 높은 나라에서는 플루노튬2.5kg정도로 핵무기 한 개를 만들 수 있다.

핵무기를 개발할 때, 우라늄폭탄은 농축도를 단계적으로 높여야 하나, 플루토늄은 핵분열하지 않는 동위원소의 함유량의 비율이 문제가 될 뿐이다. 또, 한국원자력연구원이 연구 중인 파이로 프로세싱의 재처리방식으로는 플루토늄의 단독추출이 어렵다고는 하나 불가능하지는 않다. 재처리에서 회수된 플루토늄에는 5%정도의 우라늄과 0.1%전후의 MA, 핵분열 생성물이 혼합되어 있는데, 이 상태에서 핵무기 원료로의 전용여부에 대한 연구가 없어 불명확할 뿐이다. 그러나 이 혼합연료상태라도 약 한달의 재처리로 핵무기에 필요한 플루토늄의 최소량을 얻을 수 있다. 그러므로 파이로 프로세싱의 재처리과정에서 취급하는 플루토늄량의 정확한 계량측정방법의 연구가 중요하나, 아직도 정밀한 방법은 개발되어 있지 않다.

국내에서는 2008년 12월의 [미래 원자력시스템 개발 장기 추진계획]을 채택하여 고속로와 파이로 프로세싱의 개발을 추진하고 있는데, 2028년까지 고속로의 실증로, 2040년의 상업로의 도입을 위한 개발을 서두르고 있다. 일본은 원형로 몬쥬의 건설이 1985년으로 한국보다 먼저 고속로의 개발을 시작하였고, 연구개발수준도 높다. 일본의 계획을 보더라도 한국의 계획이 얼마나 성급한지를 짐작할 수 있다. 막대한 재원과 안전성 불안 등을 감안하여 연구실수준의 개발에 한정하고 해외의 사례를 보면서 신중히 진행하는 것이 바람직한 선택이 아닐까 한다.