2011/01/09 23:37

인류의 미래를 위해 - 에너지 part.1 원자력 발전 과학이야기

안녕하세요 커티군입니다.

 에너지는 인간을 인간답게 만드는 가장 큰 외적 요인중 하나입니다. 불을 직접 만들 수 있게 된 이래로 에너지를 이용한

인간의 문명은 큰 발전을 이루었습니다. 불을 이용하여 밤을 밝히고 추위를 이겨내며 물질을 제련하게 된 것입니다.

 현대에 들어서 에너지에 대한 의존도는 더욱 심해졌습니다. 현대 문명을 이루고 있는 그 어떠한 물건도 전기가 없이는

존재할 수 없습니다. 바로 눈 앞에 있는 목제 가구물도 전기를 이용하여 가공했으며 석유를 이용하는 자동차도 전기를 

사용하는 공장에서 만들어 진 물건이지요.


 특히 에너지는 경제와 깊은 관련이 있습니다. 그 어떠한 현대 경제활동도 전기와 기름 없이는 이루어 질 수 없습니다.

공장을 돌리는 전기와 트럭과 선박, 그리고 기차를 움직일 기름이 없다면 생산과 물류가 정지되는 사태가 일어나게 되는

것이지요. 지난 2007년의 유류 파동은 엄청난 경제 성장을 이루어낸 중국이 자국 내의 에너지 소비량을 감당하기 위해 

움직인 결과라고 보는 견해가 있을 정도입니다. 2003년의 미국과 이라크의 전쟁도 석유전쟁이라는 꼬리표가 달려 있지요.


 최근에 시작한 '아테네'라는 드라마에서 볼 수 있듯이, 이제까지 한 국가의 강약을 평가하는 지표로 군사력과 경제력을 

사용했다면 앞으로는 에너지원의 매장량과 에너지 발전 기술력을 사용할 수도 있습니다. 최근 중국이 희토류 자원을

무기처럼 사용하는 것 뿐 아니라, 세계 20위 안에 드는 강대국인 한국과 일본이 리튬을 얻기 위해 볼리비아에 들인 

노력은 유명한 이야기입니다. 중국의 희토류와 볼리비아의 리튬 모두 전기 에너지를 효율적으로 생산하고 관리하는데 

필요한 핵심 소자라는 것을 생각하면 에너지 자원을 가지고 있다는 것이 얼마나 큰 강점인지 볼 수 있습니다. 볼리비아가 

자력으로 리튬을 채광할 수 있었다면 중국처럼 배짱을 부릴 가능성도 있겠지요.

에너지원과 이를 활용하는 기술은 강한 힘입니다



 그러나 현재까지 인류에게 전기라는 필수 불가결한 에너지를 제공해왔던 불, 즉 석탄과 석유 발전은 점점 과거의 

기술이 되고 있습니다. 늘어나는 석유 소비량과 화력발전소의 운용 비용, 그리고 환경 문제를 지나칠 수 없기 때문이죠.

이후 포스팅에서는 인류의 발전을 위한 대체 에너지와 그 발전 방법을 짤막하게 소개해 보겠습니다.

(석탄의 쇠퇴에 관한 Alias님의 포스팅입니다 http://phys22797.egloos.com/2687308)




1. 원자력 발전


 원자력 발전은 일찍부터 화력발전소를 대체할 발전기술로 주목받았습니다. 다른 어떠한 비 화력 발전에 비해 대용량

발전이 가능하기 때문이지요. 1954년 소련에서 최초의 상업적 원자력 발전소를 건설한 이후로 1986년의 그 사건이

일어나기 전까지 전 세계는 원자력 발전 붐이 일었습니다. 특히 제 1차, 2차 석유 파동을 겪으면서 원자력 발전은

안정적인 에너지 확보를 위한 최고의 선택이었습니다.


 그러나 인류의 비극중 하나인 1986년 체르노빌 원자력 발전소 폭발 이후로 십 수년간 단 하나의 원자력 발전소도

건설되지 않았습니다. 오히려 가동 중인 원자력 발전소를 폐쇠하는 지경에 이르렀지요. 국민들의 불안감 때문이기도

했지만 가장 큰 원인은 사고 이후 3배 가까이 뛰어 오른 원자력 발전소의 건설 비용 때문이었습니다. 원자력 발전소는

핵에너지라는 강력한 에너지원을 사용하고 있으며 부산물로 치명적인 방사능을 만들어냅니다. 체르노빌 원자력 발전소가

폭발한 이후 지금까지도 피해자가 있으며 아직도 해당 지역의 방사능 수치는 기타 지역보다 높을 정도입니다. 이러한 

악몽의 재발을 막기 위해 발전소가 폭주하거나 기기 오작동을 일으켜도 폭발과 방사능 유출만큼은 반드시 막아야 하는 

것이지요. 그 결과로 체르노빌 사건 이후 원자력  발전소에는 일정 수준 이상의 콘크리트 벽이나 긴급 정지 설비 및 각종 

전자적인 보조장치 등을 필수적으로 갖춰야 했습니다.

5중으로 된 방사능 차폐막. 마지막 차폐막은 두께 1미터가 넘은 철근콘크리트 덩어리입니다







방사능 유출을 최소화하기 위한 단계들


사진 출처 : 한국원자력안전정보공개센터




 원자력 발전소의 초기 건설 비용은 상당합니다. 2007년에 국내 모 기업이 1250MWh급 복합화력발전소를 5억달러에 

수주했습니다. 그러나 2008년 미국에서 1100MWh급 원자력 발전소를 건설하는데에는 최소 60억달러를 예상했지요. 

심지어 2008년 중순에 작성된 보고서에 따르면 위의 원자력 발전소 예상 건설 비용은 60억 달러에서 최고 120억 달러로 

늘어났습니다. 2007년와 2008년의 환율 차이와 미국과 중동의 인력 차이도 있지만 원자력 발전소가 화력 발전소에 비해 

얼마나 초기 비용이 많이 드는지 확인할 수 있습니다. 결국 각국은 석유를 구입하여 화력 발전소를 운영하는 것이 새로운 

원자력 발전소를 건설하고 유지하는 것 보다 경제적 이라는 판단을 내렸습니다. 


 그러나 이러한 판단은 석유가격이 천정부지로 뛰어 오른 최근에 와서 바뀌기 시작했지요. 가장 큰 변화는 얼마 전에

있었던 아랍에미리트(UAE)의 원전 건설입니다. 산유국임에도 불구하고 원자력 발전을 택한것이죠. 현재 우리나라의 

경우 1kWh의 전력을 생산하려면 약 120원에서 160원 상당의 석유나 천연가스, 혹은 석탄 50원어치를 사용해야 합니다. 

그러나 원자력 발전은 약 37원정도면 1kWh의 전력을 생산할 수 있습니다. 원자력 발전소 자체는 매우 비싼 설비이지만 

석유와 천연가스의 가격이 앞으로 계속 증가한다면 원자력 발전소의 가격을 발전소의 가동 기간으로 나눈 뒤 1kWh당 

37원을 더한 가격이 화력 발전보다 우위를 점할 수 있는 것입니다.


 또한 저탄소가 각광받으면서 각국의 탄소 배출이 규제되기 시작하자 화력 발전소의 운용비용 등이 오르기 시작했습니다.

현재 미국 내의 원자력 발전소의 건설 단가는 kW당 3000달러로 예상됩니다. 화력 발전소의 건설 단가는 kW당 2100달러,

그리고 천연가스의 복합화력발전소는 kW당 1200달러 정도입니다. 즉 화력 발전소의 가격 경쟁력이 점점 떨어지고 있다

것이지요. (천연가스 복합화력발전소는 예외로 보고 있습니다)


 현재 전 세계적으로 원자력에 의해 발전되는 전기은 약 2조 6000억 kWh입니다. 전 세계 발전량의 15%에 육박하는

수치이죠. 석탄과 석유 49%, 수력 19%에 이은 세번째 전기 생산 설비입니다. 세계 원자력 기구(IAEA)는 향후 20년

안에 원자력 발전량이 최소 137%에서 최대 216%가 될 것이라고 예상하고 있습니다. 


 하지만 원자력 발전의 연료가 되는 우라늄은 희귀하기 때문에 언제 그 가격이 급상승할지 모릅니다. 즉 가격 안정성이 

낮은 것이지요. 또한 원자력 발전소는 방사능 폐기물의 처리비용과 기간에 상당한 금액이 들어갑니다. 발전소가 현역

가동중인 시기에는 물론이고 발전소를 폐쇄할 때에도 추가 처리 비용이 소요됩니다. 이러한 요소들을 모두 고려했을 때

원자력 발전소 하나에 인류의 에너지를 맡기기에는 부족한 점이 많습니다.




참고 자료 : 
      Nuclear Power Plant Construct Cost, [David Schlissel and Bruce Biewald], Synapse Energy Economics, 2008
      Power Plants : Characteristic and Costs, [Stan Kaplan], Federation of American Scientists, 2008
      해외 원자력 발전소 건설시장 - 그 현황과 전망, [이영환], 국가환경정보센터, 2010
      한국원자력안전기술원 NSIC, http://www.kins.re.kr/

핑백

  • 무늬만 고양이집 : 원자력 잡설 04.04 2011-04-05 00:02:41 #

    ... (에너지 part.1 원자력 발전)</a> 후속 포스팅을 해보자 해서 글을 끄적이기 시작했습니다. 원전을 대체하기 위해서 정부, 혹은 KEPCO가 해야할 일과 에너지 안보, 그리고 발전설비의 다양화에 대해 글을 쓰려니 능력의 한계가 보이더군요. 8시부터 글을 쓰다가 결국 포기하고 지금 이렇게 넋두리를 하고 있습니다 ㅠㅠ 간단하게 이야기하자면 우리나라는 예전부터 신재생에너지에 투자하고있었습니다. 제주도에 대규모 ... more

덧글

  • 모기자 2011/01/10 00:36 # 답글

    답은 핵융합인듯(...) 전공땜에 공부하긴 했지만 최근에 대체에너지 플랜트를 건설하는데가 많던데 '')
  • 커티군 2011/01/10 09:00 #

    ITER쪽에 희망을 걸어 봐야겠지요ㅋ 우리나라도 제주도 남쪽에 대규모 해상 풍력발전단지를 건설한다고 들었는데 말이죠...이다음에 풍력발전 포스팅 할때 정확히 알아봐야겠네요
  • 카이 2011/01/10 00:49 # 답글

    일단 에너지 절약부터!!!
    (의대생활 6년만에 이제 물리는 안드로 메다로!!!)
  • 커티군 2011/01/10 09:01 #

    맞습니다ㅋㅋㅋ 사실 이 포스팅 시리즈의 맨 마지막이 '효율적인 전기 사용', 즉 Saving Energy 입니다 ㅋㅋ
  • 청풍 2011/01/10 02:26 # 답글

    일단 축퇴로나 GN드라이브를 만들고 나서..
  • 커티군 2011/01/10 09:01 #

    그런걸 보면 지속적인 대규모 에너지 발전 기관이 얼마나 필수불가결한지 알 수 있습니(...)
  • rikardo 2011/01/10 11:00 # 답글

    아직까지는 원자력이나 수력 이외에 석유,석탄을 사용하지 않는 대규모 발전기술은 없죠.





    컴퓨터는 잉간을 잉간답게 만드는 가장 큰 외적 요인중 하나입니다

    .........응?
  • 커티군 2011/01/10 11:42 #

    잉간은 누구나 될 수 있지만 인간은 노력하는 자만이 될 수....
  • 모모 2011/01/10 11:14 # 답글

    토륨 발전이라던가. (토륨주괴?)
  • 커티군 2011/01/10 11:43 #

    상회입찰 금지염
  • 푸른미르 2011/01/10 13:43 # 답글

    결국 에너지도 예산이 지배하군요....
  • 커티군 2011/01/10 18:49 #

    복지도 예산이 지배하는걸요 뭐...
  • 라임에이드 2011/01/10 14:51 # 삭제 답글

    에너지 생산이 안전하고 깨끗해야 하는 세상에서는 안전=환경=돈이군요. 본질은 변하지 않았는데 환경에 따라 경제성이 출렁이는 모습이란...
  • 커티군 2011/01/10 18:50 #

    한정된 자원이란걸 실감하는 순간이기도 합니다 ㅋ
  • Moment 2011/01/10 16:21 # 삭제 답글

    쇄퇴->쇠퇴
  • 커티군 2011/01/10 18:50 #

    으엌ㅋㅋ감사합니다
  • Alias 2011/01/10 22:24 # 답글

    잘 봤습니다.
  • 커티군 2011/01/13 21:27 #

    쓰고나니 내용이 영 빈약하네요...최신 자료도 부족하고..ㅠ 아직 배워야할게 많다는 생각이 듭니다 ㅇㅅㅇ
  • Niveus 2011/01/11 20:58 # 답글

    결국 믿을건 빨리 핵융합이 쓸만한 물건급으로 개발되야하는것 ㅠ.ㅠ
  • 커티군 2011/01/13 21:28 #

    K-Star 화이팅...
  • 청천벽력 2011/01/11 23:01 # 답글

    전문 대장장이와 그 조수 두명이 대장간급 공방에서 뚝딱뚝딱 만들수 있으며,

    그 크기도 성인남성 주먹보다 조금 큼 정도에 불과한 '아크리액터' 가 있습니다. ^^;;;
  • 커티군 2011/01/13 21:28 #

    죄송합니다, 저는 토니 스타크가 아닙니다 - 스타크 인더스트리의 한 과학자
  • 구경꾼 2011/01/12 13:54 # 삭제 답글

    몇가지 마음에 걸리는 것이 있어서 글 남깁니다.

    1. 건설단가와 발전단가의 문제
    본문에서는 약간 혼용해서 쓰신 것 같은데, 건설단가는 최초 시설투자에 들어가는 비용(=공사비)이고, 발전단가는 실제 전기를 발전할때 들어가는 비용(=연료비)으로 분리해서 파악해야 할 필요가 있습니다.

    kw당 건설단가는 원자력 > 석탄화력 > 가스복합발전 순으로 낮아지고, kw당 발전단가는 가스복합발전 > 석탄화력 > 원자력 순으로 낮아지죠.

    결국 원자력은 초기투자비를 연료비로 만회하는 형태가 되고, 가스복합은 그 반대가 됩니다. (여기에 가스복합은 운전특성이 원자력이나 석탄화력과는 완전히 달라서 대체재라기 보다는 보완재의 성격을 가집니다만... 그건 다른 이야기니까요)

    한편, 요즘 탄소배출에 대한 규제가 강화되는 추세로 인해 - 당장 영향을 미치지는 않더라도, 발전소의 수명 중에 부담이 발생할 것이라고 예측 - 고려 사항이 더욱 복잡해지게 되었죠. (언제, 어느 정도의 강도로 부담이 발생할 것인가?) 이 경우 석탄과 천연가스의 화학식에서 볼 수 있듯이, H 대비 C 비율이 높은 석탄이 불리합니다.

    2. 한편, 현재의 중앙공급형 파워그리드의 미래 자체에 대해서도 의문을 제기할 수 있겠죠. 태양광, 소규모 풍력 등 분산형 발전원과 스마트 그리드가 결합될 경우 미래의 발전산업구조는 어떻게 될 것인지. 한번 생각해 볼만한 주제입니다.
  • 커티군 2011/01/12 16:02 #

    으억...양놈들이 쓴 걸 번역하다보니 병크가 많네요. 감사합니다! 수정하겠습니다
  • jane 2011/01/14 09:24 # 답글

    잘 봤습니다. ^^ 그냥 궁금한 게 몇 개 질문을 남길게요.

    1. 우라늄 자체는 흔한 광물이 아닌가요? 그게 농축된 형태를 구하는 게 어려운 건가요? -.-

    2. 체르노빌은 그 시설 자체의 보호막만으로도 위험해보였는데, 사실 규칙을 무시한 실험(...)으로 망했다고 들었습니다. 규칙을 지키고 안전 설비를 보다 잘 갖춘 지금의 원자력 발전은 굉장히 안전한 편 아닌가요? ^^;
    물론 그렇게 되면 초기 투자 가격 상승 크리...-_-

    3. 인간이 내뿜는 탄소 때문에 지구온난화가 발생한다고 하긴 합니다만, 그건 석유나 석탄 같은 탄소연료 이야기일거고, 핵발전은 그런 면에선 안전한가요? ^^;

    4. 고준위 폐기물은 어떻게 하는지...-_-; 탄소를 해저에 파묻는 것보다야 쉽겠지만 고준위 폐기물은 대책이 마땅히 없어보이거든요. 그 면에서 대체 에너지라고 하긴 좀 힘들지 않은지(...)

    5. 석유 가격이 올라가면 원자력 발전의 경제성이 향상된다는 건 이해하기 쉽습니다만, 오일 샌드 같은 석유 대체 자원의 경제성도 향상되는 거니까 결과적으론 그게 그거 아닌가 싶습니다만(...)


    질문을 잔뜩 드려서 죄송합니다. ^^ 커티님 블로그 잘 보고 있습니다!
  • 커티군 2011/01/14 10:15 #

    길이 글어져 http://cuttyshark.egloos.com/4908786 로 포스팅했습니다.
  • oga8867 2011/03/16 22:28 # 삭제 답글

    커티군님 고양이넘 귀여워요...
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