원자력 발전 필요성

작성자: 한국원자력학회 소통위원회

원자력 발전이 필요한가요?

부지 소요

우리나라는 국토가 협소합니다. 협소한 국토에서 식량생산과, 산업시설, 주거시설을 모두 만족시켜야 하므로 전력시설의 국토소요가 최소화되어야 할 필요가 있습니다. 이런 관점에서 원자력발전소와 화석연료 발전소, 수력발전소, 태양광 발전소, 풍력발전소를 비교할 때 부지 측면에서 어떤 발전소가 유리합니까? (단위 발전량당 부지면적)

토지단위 면적당 발전량 비교(kWh/m2)
내용/종류	원자력	석탄화력	태양광	풍력	목재
발전량	12,500	9,600	24	21	3

원자력과 석탄화력의 단위면적 발전량은 만 단위인데 비해 태양광이나 풍력과 같은 대체에너지가 10단위인 것을 보면 6000배 이상의 고집적도를 갖습니다. 이것을 좀더 현실감 있게 다시 계산해보면, 월성의 신월성 1호기의 경우 약 3000MWt급인데 10만평 정도의 부지를 사용합니다. 그러나 이것을 태양광으로 대체하고자 하면 1억6천 평을 필요로 합니다.

풍력의 경우는 이것보다 더 면적을 요구해서 약 3억평이 필요합니다. 대전광역시가 539.8 km² 즉 1억6천3백평 정도이므로 원자로 1기를 태양광으로 대체하려면 대전시 전체를 태양전지 판으로 덮어야 합니다. 문제는 땅이 굴곡이 있어 하루 2시간 이상의 일조량을 주려면 모두 남향이어야 하나 산의 경우 남쪽이 있으면 북향의 경사면은 사용할 수 없어 실제는 대전시 보다 훨씬 넓은 면적을덮어 그늘을 만들어야 가능합니다.

세계 10위의 수출에 근거한 경제력을 유지하기 위해 우리는 세계10위에 해당하는 에너지를 소비하고 있습니다. 좁은 국토에서 이를 감당하기 위해서는 원자력에너지가 가장 집적도가 높아 장점을 갖는다는 것을 알 수 있습니다.

발전 단가

우리나라는 다른 나라에 비해 저렴한 전기요금으로 인한 생산 경쟁 우위를 갖고 있으며, 이것이 국가 경제 발전에 매우 중요한 요소입니다. 이런 관점에서 원자력 발전은 화력발전, 신 재생 에너지와 전기요금 인하능력을 갖고 있습니까?

다양한 에너지원의 발전단가는 각기 다릅니다. 당연히 값싼 에너지를 선호하게 되어 있습니다만, 환경 안전 등 다른 요구도 고려해야 할 것입니다. 우리나라의 에너지원 별 발전단가는 조금씩 달라져 왔습니다.

다음 표에는 2008년에서 최근 2015년의 에너지원 별 발전 단가의 변화를 나타냈습니다.

2015년 에너지원별 발전단가(원/kWh)
년도	원자력	석탄	풍력	LNG	유류	태양광	수력
2008	39.02	51.15	133.76	168.83	191.97	677.38	134.30
2012	39.61	66.34	100.98	210.11	253.04	599.30	180.95
2015	62.69	107.69	109.34	126.00	150.24	169.19	118.41

이 표에서 두드러진 특징은 원자력/석탄/태양광 입니다. 원자력은 2012년까지 39.02원/kwh로 안정적이며 최저가격이었으나 2015년에 62.69원/kwh로 거의 두 배나 상승했습니다. 이것은 원자로의 해체비용, 사용후 핵연료 처분비용, 중‧저준위 폐기물 관리 비용까지가 모두 포함되는 과정에서 발생했습니다.

석탄의 경우도 60원대의 유지되던 것이 107.69원으로 상승한 것은 온실가스 저감, 미세먼지 저감등을 위한 비용과 탄소 세 등이 반영되는 과정에 생긴 상승입니다. 반면 태양광은 700원/kwh 대에서 200원/kwh로 급격히 낮아졌는데, 이것은 태양광에 부여한 일종의 인센티브를 제거하여 태양광 에너지 산업이 보조나 후원 없이 든든한 기간에너지로 성장하도록 시장에서 경쟁 가능한 가격을 부여한 까닭입니다. 유류나 LNG는 그 사이에 매우 큰 폭의 가격 변동을 보이고 있어 발전단가 면에서는 불안요인이 매우 큽니다. 이 점을 보면 발전과 처리에 관한 부분을 고려해도 여전히 원자력은 가장 가격경쟁력을 갖고 있습니다. 가격 면에서는 풍력은 이미 석탄화력에 근접하고 있으므로 부지 선정과 주민수용성의 문제를 해결하면 됩니다.

전력 안전성

우리나라의 전자, 자동차를 비롯한 핵심 산업 생산품은 안정적인 전력 공급을 요구합니다. 환경의 변화에 크게 좌우되지 않는 안정적인 전기공급의 측면에서 원자력은 신 재생 에너지와 비교하여 얼마나 안정성을 갖고 있을까요?

화력발전소나 원자력 발전소는 에너지원이 다를 뿐이고 전기를 생산하는 에너지 시스템은 물과 증기를 이용할 경우 Rankine cycle을 대표적으로 사용하여 유사하며, 이 전기 발생 시스템은 연료가 공급되는 한설계된 대로 에너지를 생산해주는 기계입니다. 이 기계에서 생산되는 전력은 매우 안정적으로, 그 전류와 전압 그리고 교류의 변화 빈도 등 에 있어 매우 안정적입니다. 이러한 전류의 안정성은 이를 이용해 제품을 생산하는 기계들의 작동을 안정화시켜 정밀 생산을 가능하게 합니다.

반면 태양광, 풍력 등 대체에너지의 경우, 에너지 생산량이 시시각각으로 달라집니다. 태양광의 경우 아침부터 저녁까지 하루에도 햇빛의 각도가 다르며 사계절에 따라 다릅니다. 구름이 끼면 에너지를 생산할 수 없으며 우리나라의 경우 장마철에는 매우 긴 기간 에너지를 생산할 수 없습니다. 풍력의 경우는 일부 지역을 제외하면 풍향의 변화가 심하고돌풍성 바람으로 전기 생산이 고르지 않습니다.

이러한 불안정한 전기에너지를 안정화 하기 위해, 생산된 불안정한 전기를 에너지 저장 시스템 (ESS)에 저장한 다음 이를 사회와 산업이 요구하는 정도의 전류와 전압, 교류의 변화 빈도를 만드는 기구를 통과시켜 전력망에 연결해야 합니다. 그러나 만일 이것이 충분치 않거나 여러개의 대체에너지원에서 잠시 잠시 공급을 하는 과정에 공급과 휴지의 흔들림이 발생하게 되는데, 이것은 고스란히 전력망의 안정화를 해치는 결과를 줍니다. 따라서 안정적인 전력망을 구축하기 위해서는 기존의 대용량 발전소에서 보여주는 규모의 전력을 안정적으로 계절이나, 날씨에 상관없이 공급하는 것이 중요합니다.

물 속에 장전된 핵연료의 핵분열은 날씨나 바람에 영향을 받지 않고 일어나는 물리적 현상이므로, 가장 안정적인 전력의 구성 요소가 될 것입니다. 원자력 발전소도 핵연료 교체와 정비 등을 위해 1년에 1회씩 멈추는 기간이 있습니다만 이것은 계획에 의해 이루어지므로 전력망 입장에서는 충분히 대비가 가능합니다.

에너지 자원 안정성

우리나라는 기간에너지 측면에서 에너지 자원이 전무합니다. 수입에너지원의 관점에서 가격변동의 안정성을 확보하는 것은 매우 중요합니다. 이러한 관점에서 핵연료와 석탄, 석유, 셰일가스를 비교할 때 어떤 자원이 안정성을 갖고 있을까요?

에너지원은 심지어 태양광이나 바람까지도 지리적 차이가 있습니다. 사막지역의 태양광과 우리나라의 태양광은 큰 차이가 있습니다. 북해지역의 바람과 우리나라의 바람은 역시 큰 차이를 줍니다. 석유나 천연가스도 그렇습니다. 석유는 우리나라에는 한 방울도 나지 않지만 중동이나 미국 등에는 풍부합니다. 그러나 이것도 조만간 고갈될 것으로 예측하고 있습니다. 석탄의 경우 강원도에 광맥이 있었지만, 이제 탄광은 폐쇄되고 수입을 합니다. 하지만 오스트레일리아 같은 나라에는 노지에 석탄이 있어 그저 퍼서 담으면 됩니다. 요즈음 각광을 받는 배터리 주원료인 리튬도 우리나라에는 적으나 볼리비아와 같은 나라엔 풍부합니다.

석유파동 이후 다시 떠오른 셰일가스의 경우, 석유자원이 거의 없는 중국도 매장량이 풍부하고, 미국 캐나다 등도 풍부합니다. 그러나 우리나라에는 매장량이 없습니다. 원자력 에너지 연료인 우라늄은 러시아나 오스트리아에 풍부합니다. 그러나 이것도 무한정 있는 것이 아닙니다. 현재의 방식으로 소모하면 60년이 지나면 없어집니다.

에너지 자원은 지역적으로 편중되어 있고, 동시에 매장량이 한정되어 있어언젠가 고갈되고 마는 것입니다.

2015년 에너지원별 사용가능 기간 예상(년)
에너지원	석탄	석유	LNG	셰일가스	우라늄	태양	바람
사용가능기간	112	54	63	100	60*	무한대	무한대

*고속증식기술 3600년

이 중 원자력 에너지는 고속증식기술을 사용하면 금세기 안에 고갈될 것이 향후 3600년까지 지탱해 줄 가능성을 갖고 있습니다. 화석연료가 모두 소모된 이후 인류는 우주공간의 천연 원자로인 태양으로부터 얻는 태양과 풍력 그리고 인공적인 태양인 원자력 발전소이외에 에너지원이 없습니다. 따라서 에너지 자원의 안정성을 위해 원자력은 꼭 필요한 에너지원 입니다.

폐기물의 양과 상태

발전소에서는 연료의 연소과정에서 폐기물이 나옵니다. 이러한 폐기물의 부피는 처리에 필요한 제반 시설과 관련됩니다. 폐기물의 부피적인 측면에서 원자력 발전소와 화력발전소는 폐기물 총 부피의 측면에서 어느 발전소가 유리합니까?

기본적으로 대체에너지인 태양광, 풍력은 에너지 발생 과정에 폐기물이 없습니다. 원자력은 사용을 끝낸 사용후 핵연료가 1년에 한번씩 나옵니다. 이것은 피복관에 안전하게 밀봉된 고체 상태의 폐기물로 철저히 관리를 하므로 이 폐기물은 환경으로 유출되지 않습니다.

에너지의 많은 부분을 차지하는 화력 발전의 경우는 석탄, 석유, LNG 등을 연소하여 그 반응물이 기체 상태로 대기 중으로 나옵니다. 최근 온실가스의 주 요소인 이산화탄소를 포집, 저장하는 기술이 활발히 연구되는 등 많은 노력을 하고 있지만, 화력발전소에서 나오는 기체 폐기물 양이 많습니다. 뿐만 아니라 고체 폐기물로 석탄재가 나옵니다.

1000MWe의 발전소를 고려하면 원자력 발전소는 연간 27톤의 사용후 핵연료를 만들어 내지만, 석탄 화력의 석탄재만 40만톤이 나와 고체 폐기물 양만 비교해도 대략 15000배가 됩니다. 기체 폐기물은 그 부피가 매우 커서 처리 후 대기에 그대로 방출됩니다.

원자력 발전소의 폐기물은 시간이 지날수록 방사능원소가 붕괴하여 열과 방사능이 줄어듭니다. 반면 화력발전소의 폐기물은 화학물로 다른 물질과 반응하여 안정화 되기 전에는 계속 시간이 지나도 독성이 변치 않습니다.

폐기물을 살펴보는데 있어 고려할 사항 중에 하나는 연료를 만들어 내는 것이나 시스템을 만드는 과정에 발생하는 것도 있습니다. 태양광 패널을 만들기 위해 실리콘 웨이퍼 처리 공정에 사용되는 독극물이 유출되어 공장이 폐쇄되고, 환경유출의 우려를 하는 경우도 많기 때문에 에너지 생산의 전 영역에서 폐기물을 고려하고, 이에 대한 처리를 고려해야합니다. 이 부분은 모두 안전하게 처리된다는 가정 하에 이루어지나, 어려운 공정이 들어갈수록, 독극물이 사용될수록 위해 한 폐기물이 생성되는 것은 주지의 사실입니다.

1년 방출 폐기물량 비교
	양	상태
화력발전(550 MW 석탄화력발전소)	9.5톤	고체폐기물 (중금속)
화력발전(550 MW 석탄화력발전소)	1,5000,000 톤	기체 폐기물(이산화탄소)
원자력발전(1000 MW급)	1,810 드럼 (200 리터/드럼)	중, 저준위 고체 폐기물

온실가스 배출 정도

발전소에서 발생하는 온실가스 량으로 원자력과 다른 에너지원을 비교하면 어떻습니까?

산업혁명 이후 인류는 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료를 대량 사용하면서 이산화탄소 (CO2)를 비롯한 온실가스를 대량 배출하게 되었습니다. 그러나 이산화탄소는 신재생 에너지나 원자력 발전소에서도 발생합니다. 화력발전소의 경우는 석탄, 석유등을 연소시키는 과정에서 생겨나지만, 원자력 발전소의 경우는 우라늄을 광산에서 채취하고 이것을핵연료로 만들거나 원자력 발전소를 짓는데 사용되는 에너지나 공정에서 발생합니다.

이것을 국제 원자력기구(IAEA)에서 추정한 값은 다음과 같습니다.

CO2 배출량 비교
발전원	CO2 배출량 (g/kWh)
석탄	991
석유	782
천연가스	549
바이오매스	70
태양광	57
풍력	14
원자력	10
수력	8

온실가스 배출 부분에서 가장 낮은 것은 수력입니다. 특이한 것은 원자력이 태양광이나 풍력보다 작은 것이고, 이에 비해 석탄에너지는 100배 정도로 매우 큽니다. 그린피스에서 원자력 에너지를 Green Energy 로 분류했던 것에는 이러한 데이터가 작용했던 것입니다.

미세먼지 배출 정도

발전소가 유발하는 미세먼지의 정도를 비교할 때 원자력발전소와 화석연료 발전소를 비교할 경우 어느 발전소가 유리합니까?

원자력 발전소를 비롯한 태양광, 수력, 풍력은 기본적으로 배기가스가 적거나 없으므로 미세먼지 배출의 원인요소가 거의 없습니다.

반면에 석탄화력발전소의 경우 배출가스에서 그 배출량을 산출할 수 있는 먼지를 '1차 초미세 먼지'라고 부르며 2011년 기준으로 보면 PM2.5(2.5 μm) 의 매우 적은 미세먼지는 유연탄(2.8 톤), 무연탄(0.03 톤)이며 이보다 미립자 크기가 큰 PM10 (10 μm) 의 경우는 유연탄(3.6 톤), 무연탄(0.03 톤)이 됩니다. 최근 중국에서 날아오는 미세먼지에 대한 위험을 많이 접하고 있으나 국내에서 화력발전소나 자동차 배기가스에서 나오는 미세먼지가 무시할 수 없음을 지적하는 보도가 많습니다.

미세먼지는 앞서 지적한 '1차 초미세 먼지'뿐만 아니라, 공기 중에 배출한 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 등이 화학반응을 일으켜 '2차 초미세 먼지'를 생성한다는 것은 중요한 사항입니다.

화력발전소의 배기가스에서는 그대로 대기에 방출할 경우 1차 초미세 먼지뿐만 아니라, 질소산화물, 이산화황, 매연, 먼지, 수은, 비소 등의 유해성분이 있습니다. 따라서 최근의 화력발전소들은 이를 제거 또는 저감하기 위한 장치들을 설치하고 있습니다. 다음은 국내 석탄화력 오염물질 배출 현황입니다.

국내 석탄화력 오염물질 배출 현황 (단위: 톤/년)
구분		SOx	NOx	TSP	PM10	PM2.5
국내전체		417,645	1,075,207	182,744	119,980	76,287
석탄화력	배출량	64,645	95,272	3,284	3,218	2,590
석탄화력	기여율(%)	15.48	8.86	1.80	2.68	3.40

미세먼지와 스모그는 호흡기 질환으로 인체 유해성이 매우 높습니다. 따라서 화력에너지에서 원자력을 포함한 청정에너지로의 전환은 대기의 청정성을 유지하기 위해 매우 필요합니다.

삼중수소 포함한 인공 및 자연 방사선 문제

원자력 발전소 주변지역의 삼중수소 문제가 많이 지적됩니다. 원자력발전소와 화력발전소를 비교할 때 어느 발전소가 더 많은 삼중수소를 방출합니까?

원자로에서는 핵반응의 결과로 인공 방사성물질이 생성됩니다. 그러나 화력발전소에서 방사성물질이 나온다는 것은 잘 알려져 있지 않습니다. 화력발전소는 원자핵 반응이 없으나 화력발전소의 연료로 사용되는 석탄, 석유, LNG 등을 구성하는 탄소, 수소 등에 포함된 방사성 동위원소가 대기 중으로 나오기 때문에 화력발전소에서는 자연 방사성물질이 방출됩니다.

NCRP의 보고서에 의하면, 미국의 경우 154개의 화력발전소에서 400만 톤의 석탄을 연소시킬 경우 97.3126 TBq의 방사능이 나와서 단일 화력발전소당 0.6319 TBq의 방사능이 나옵니다. NCRP가 1000MWe 급의 발전소에 대해 비교한 자료는 다음과 같습니다.

발전소 방사능 배출 비교
구분	방사능 방출(man.Sv/yr)*	비율
석탄화력 1000 MWe	4.9	100
원자력 1000 MWe	1.1	1

* 1 man·Sv/yr은 1000명이 연간 1 mSV의 방사선량을 받는 것을 의미함

※ 흉부X선 측정은 평균적으로 0.01 mSv/회

삼중수소 (H-3)와 탄소방사성동위원소 (C-14)는 자연에도 존재하고, 원자력 발전에서 핵반응의 결과 인공적으로도 만들어집니다. 미국의 환경부는 발전소에서 50마일 (80km) 안에 사는 사람들의 피폭방사선량을 석탄화력의 경우는 0.3 μSv로 원자력발전의 경우 0.09 μSv에 비해 매우 관대하게 설정하고 있습니다. 이는 석탄발전소의 규제치를 원자력발전소 수준으로 낮출 경우 발전소를 가동할수 없으므로, 현실을 반영한 경우입니다.

결론적으로 정상 운전시 원자력 발전소는 화력발전소에 비해 주변 환경으로 방사능물질을 훨씬 적게 배출합니다.

에너지 안보

석유파동과 금융위기의 경험을 통해 에너지는 국가안보와 직결됨을 경험하였습니다. 극단적으로 에너지자원 공급이 원활하지 않은 상황에서 대량발전의 유지기간을 장기간 보장하여 충격을 완화할 수 있는 에너지원은 무엇입니까?

식량과 에너지는 자급되지 않을 경우나 수입이 불가할 때, 국가나 개인의 생존 자체가 위협되므로 안보의 입장에서 매우 중요한 항목입니다.

6.25 전쟁이 나기 직전 북한에서 남한으로 전력 공급을 끊은 것은 대표적인 에너지 안보 위협의 사례입니다.

1970년대 석유 파동 때에도 국가적으로 2개월을 버틸 석유만을 비축하고 있었기에, 국가적 위기는 심각했습니다.

남북이 대치하고 있는 상황에서 우리나라는 에너지 관련하여 자체 생산자원이 거의 없는 에너지의 섬입니다. 결국 자연의 자원은 수력과 대체 에너지로, 현재 (2015년 한국전력 전력통계속보) 수력 6471MW (6.6%)와 대체에너지 5,649 MW (5.9%)로 설비로는 대략 12.5%에 해당합니다.

문제는 수력의 경우 저수율이 가뭄 등으로 변하고, 대체에너지는 풍량, 일조량에 변화로 실제는 수력(1.1%) 대체에너지(3.2%)로 총 발전량의 4.4%만 감당하고 있습니다. 설비율 대비 발전량의 점유율로는 4.4/12.5로 효율은 30% 정도의 가동을 보여줍니다. 즉, 12%의 발전량을 하려면 설비는 이것의 3배만큼을 해야 합니다.

반면 원자력 에너지는 1년에 1번 핵연료를 장전하면 1년을 가동하므로, 에너지 수입이 금지되어도 1년간 전기를 안정적으로 생산해 줍니다. 더우기 고체 연료가 효율이 매우 좋으므로, 이것을 비축하면 적은 공간에 많은 햇수를 가동할 수 있는 연료를 확보할 수 있습니다. 더욱이 우리나라는 핵연료를 국산화하였으므로, 장기간 에너지원 공급이 막혀도 에너지를 생산하여 국가를 보호할 수 있습니다.

우리는 석탄, 유류 LNG 등이 정치적 이유로 가격이 폭등하는 것을 경험하였습니다. 이런 상황에서 안정적으로 전기를 공급하는 것은 원자력임을 알 수 있어, 원자력은 에너지 안보의 지킴이 입니다.

전력 수요

전력수요가 정체되어도 원전을 지속해야 하는 이유는 무엇입니까?

이상의 질문을 통해 우리는 원자력에너지는 대체에너지에 비해 발전단가 면에서 유리할 뿐 아니라 좁은 국토를 고려할 때 작은 면적에서 에너지를 생산하여 면적대비 높은 효율을 갖고 있습니다. 더욱이 연료의 양이 적어 비축과 가공이 용이합니다. 따라서 안정적으로 장기간 에너지 수입에 위험이 생겨도 에너지를 생산할 수 있습니다.

대지 효율 면에서는 다소 떨어지지만 화력 에너지의 경우도 국가의 에너지 소비의 중요한 축으로 자리하고 있습니다. 그러나 화력에너지는 지구온난화의 원인이 되는 온실 가스와 미세먼지 등 인체 유해 요소가 있으므로 파리기후협약 이행을 위해서는 점차 줄이거나 청정 화력으로 개선해야 합니다.

더우기 정상 상태에서는 방사능의 방출에서도 화력 발전소는 원자력 발전소의 100배 정도가 된다는 점에서 화력발전소의 축소나 기술적 개선은 필수적입니다. 반면 좁은 국토의 특성상 수력은 한계에 도달해 있고, 태양광은 많은 부지 소요와 평시 사용을 위한 대용량 전력 저장 시스템(ESS)의 개발 및 설치가 필요합니다. 아직 배터리 기술이 태양광으로 산업용 전기를 감당할 안정적인 ESS를 지원하지 못하므로 태양광과 풍력의 확대는 기술적, 경제적, 주민 수용성 모두에서 어려움이 있습니다.

대체에너지 이외에는 모두 수입에 의존하는 에너지원을 생각해보면, 대체에너지 기술이 기간 산업을 지원할 안정화되며 초고효율화 되기 이전에는 우리가 취할 수 있는 선택권은 지극히 적습니다. 즉 화력에너지를 줄여, 이 부분의 원가 불확실로 인한 경제 위험 요소를 줄이고, 이것에서 방출되는 온실가스와 미세먼지를 줄여 개인의 건강과 인류의 지속가능성을 확보하는 것입니다. 이 줄어든 자리를 메우는 것은 원자력과 대체 에너지뿐입니다. 대체 에너지 기술이 성숙하기까지 현재로서는 원자력 기술을 이용해야 합니다. 이에 덧붙여 전기 에너지 소비를 줄이고, 효율을 높이는 것도 병행하여 적은 에너지 사용으로 큰 성과를 내는 고효율 에너지 사회로 나아가야겠습니다.

파일:원자력 묻고답하기 2016-소통위원회 v1.1 201610.pdf