에너지 패러다임 전환의 핵심 기술 핵융합 발전

○ 화석 연료 기반 에너지 시스템을 대체하고 있는 신재생에너지가 최근 한계를 노출하고 있음

• 태양광 발전은 흐린 날이나 비 오는 날 발전량이 급감하고, 풍력 발전은 풍속에 따라 발전량이 달라져 전력 공급이 불안정하고 수급 불균형이 발생

- 미국 캘리포니아에서는 2020년 태양광 발전의 급격한 출력 저하와 이상 고온에 따른 전력 수요 증가에 대응하지 못해 순환 정전이 발생

- 풍력 발전량이 전체 전원 믹스의 29%를 차지하는 영국의 경우 풍력 발전 의존도 증가와 전력망 인프라의 한계로 정전과 출력 저하가 발생

※ 국가전력공사(NESO)에 따르면, 영국의 올해 ‘출력 제한 비용¹’은 18억 파운드를 초과할 전망

• 경제 급전²을 위해서는 예측 데이터와 비교한 실시간 조정이 필수이나, 신재생에너지는 높은 전력 공급의 불확실성으로 인해 운영 일정을 최적화하기 어려워 경제성이 저하될 수 있음

• 급격한 출력 변화(재생에너지의 간헐성 또는 수요 급변 등)는 주파수 불안정, 전압 변동 등을 유발해 전력 품질을 저하시킴으로써 전력계통의 신뢰성과 안정성에 영향을 줄 수 있음

• 이 같은 이유로 태양광ㆍ풍력ㆍ수력 등을 조합하여 변동성을 상쇄하는 재생에너지 포트폴리오 다각화, 수소를 활용한 기저 발전 역할 대체, 에너지 저장 시스템을 통한 변동성 완화 등의 시도가 지속되고 있으나 높은 초기 투자 비용과 에너지 손실 등 한계가 존재

○ 원자력 발전도 탈탄소 에너지로 거론되고 있지만 안전성 등 지속 가능성에 대한 의문이 상존

• 원자력 발전은 과거 대형 사고로 인해 안전성에 대한 불신이 지속되면서 독일의 경우 일본 후쿠시마 사고 이후 모든 원전을 폐쇄

- 독일은 2023년 4월 15일 마지막 3개의 원전을 폐쇄하며 원자력 발전을 완전히 종료

• 발전 과정에서 발생하는 방사성 폐기물 처리 문제 또한 여전히 미해결 상태. 특히 사용후핵연료와 같은 고준위 방사성 폐기물의 경우 높은 열과 방사능을 수만 년 이상 방출해 안정적ㆍ영구적 저장 기술이 요구되고 견고한 암반의 지하 수백수천 미터에 저장되어야 함

• 그러나 방사성 물질이 (반)영구적으로 유출되지 않을 지질과 환경을 완벽하게 예측하는 것은 불가능에 가까워, 저장 가능한 부지를 찾는 데 오랜 시간이 소요됨

- 한국의 경우 원전에서 발생한 사용후핵연료는 발전소 내 수조에 저장하고 있는데, 향후 5년 무렵부터 고준위 방사성 폐기물 포화 문제가 발생할 전망

• 방사성 폐기물 처분장 부지 선정 과정에서 해당 지역 주민의 반발과 같은 사회적 저항 및 합의 부재에 따른 정치적 갈등과 같은 마찰도 발생

• 안전성과 확장성을 높여 최근 차세대 원자력 발전으로 주목을 받고 있는 소형모듈원자로(SMR)의 경우, 기존 대형 원전에 비해 더 많은 양의 방사성 폐기물이 발생할 수 있음

- 미국국립과학원회보(PNAS)에 따르면, 스탠퍼드대학과 브리티시컬럼비아대학 연구진은 일본의 도시바와 미국의 뉴스케일, 캐나다의 테레스테리얼에너지(Terrestrial Energy)가 개발 중인 3가지 유형의 SMR에서 발생하는 방사성 폐기물 발생 흐름을 분석한 결과, SMR에서 발생하는 관리·처리가 필요한 방사성 폐기물의 양이 기존 상용 원전에 비해 최소 2배에서 최대 30배 많을 수 있다고 보고

- 특히 SMR은 기존 상용 원전 대비 중성자에 오염된 원자로 주변 강철 폐기물을 최소 9배 이상 많은 양이 발생하는 것으로 조사됨. 이에 향후 전 세계에 다수의 SMR이 건설될 경우 방사성 폐기물 발생량이 증가하면서 저장·처리와 고농축 우라늄 관리 등의 문제가 부각될 수 있음

○ 핵융합 발전은 원자핵을 이용한다는 점에서 원자력 발전과 유사하지만 정반대되는 발전 방식을 채택

• 원자력 발전과 핵융합 발전은 원자핵이 변화하는 과정에서 발생하는 에너지를 전기 에너지로 변환한다는 점에서 유사성을 보임

- 두 발전 모두 원자핵이 변화할 때 질량 결손으로 방출되는 에너지를 이용

• 그러나 핵융합 발전은 중수소와 삼중수소 같은 가벼운 원자핵의 융합 과정에서 에너지가 생성되는 반면, 핵분열 방식의 원자력 발전은 우라늄과 같이 무거운 원자핵이 분열되면서 감소되는 질량이 에너지로 변환된다는 점에서 차이를 보임

- 핵융합 발전: 핵융합 발전을 위해서는 중수소와 삼중수소가 필요하며, 원자핵이 반발력을 이기고 무거운 원자핵으로 융합하는 과정에서 감소된 질량만큼 에너지가 발생

* 높은 온도와 중력을 지녀 핵융합 반응이 활발히 일어나는 태양의 중심 같은 환경을 지구상에 구축하기 위해서는 약 1억도 이상의 초고온이 필요

- 원자력(핵분열) 발전: 우라늄과 같은 무거운 원소의 원자핵이 중성자와 충돌하여 가벼운 원자핵으로 분열되는 과정에서 감소된 질량만큼 에너지가 발생

○ 핵융합 발전이 신재생에너지와 원자력 발전이 노출하고 있는 한계 극복을 위한 대안으로 부상

• 대체에너지 자원에 대한 기술이 지속적으로 발전하고 있으나 한계가 상존함에 따라 단순한 기술 발전을 넘어 에너지 시스템 자체의 패러다임 전환이 필요

• [이산화탄소 배출과 자원 문제] 핵융합 발전은 이산화탄소를 배출하지 않는 청정에너지로 바닷물과 리튬에서 연료 자원을 추출해 활용할 수 있어 연료 고갈과 같은 문제를 해결 가능

- 중수소는 바닷물에서 얻을 수 있으며 삼중수소는 리튬에서 추출이 가능. 핵융합 발전에서 리튬은 반응 후에도 대부분 재사용이 가능해 손실량이 적음

* 연료 1g으로 석유 10톤에 해당하는 에너지를 생산하여 자원 효율성이 매우 높음

• [신재생에너지의 변동성] 핵융합 발전은 기후나 환경의 영향을 받지 않아 지속적이고 안정적인 에너지 공급이 가능하며, 발전량 예측이 가능해 전력계통의 주 전력원 역할을 수행 가능

- 핵융합로는 출력 조절이 가능해 시간대별 전력 수요에 따라 가동률을 제어할 수 있다는 점에서 태양광, 풍력 같은 신재생에너지의 변동성을 보완하는 데 유리

• [원자력 발전의 안전성 문제] 핵융합 발전은 핵분열과는 달리 고준위 방사성 폐기물이 거의 발생하지 않으며, 사고 발생 시 자동 정지되는 ‘자기보호적’ 시스템 특성을 보유

- 핵융합 반응에서 발생하는 주된 방사성 폐기물인 삼중수소는 반감기가 12.3년으로 비교적 짧음