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원자력 발전: 찬성인가 반대인가?

원자력만큼 사람들 의견이 갈리는 주제도 드뭅니다. 핵분열이 화석연료를 태우지 않고 어떻게 전기를 만드는지, 안정적인 발전량이 재생에너지와 함께 왜 도움이 될 수 있는지, 그리고 역사가 사고와 폐기물에 대해 무엇을 말해 주는지 설명합니다. 또 비용과 기간, 장기 폐기물 저장, 그리고 소형 모듈 원자로(SMR) 같은 새 설계가 원자력 컨테이너선부터 데이터센터까지 다음에 어디에 쓰일 수 있는지도 살펴봅니다.

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영향속도비용기술 성숙도자연

3.2종합

이 해결책의 점수는?

  • 영향5 / 5날씨와 상관없이 꾸준히 생산하는 대규모 저탄소 전력.
  • 속도2 / 5새 원전은 가동을 시작하기까지 10년 이상 걸리는 경우가 많습니다.
  • 비용2 / 5초기 비용이 매우 높고, 비용 초과가 오래전부터 반복됐습니다.
  • 기술 성숙도5 / 5수십 년째 전 세계에서 가동 중인 검증된 기술이며, 더 작은 원자로도 개발되고 있다.
  • 자연2 / 5토지 사용은 아주 적지만, 우라늄 채굴, 방사성 폐기물, 물 사용은 문제다.

가이드

이 영상의 그림 대본입니다. 현재 가이드는 영어로만 제공돼요 - 여러분의 언어도 곧 나와요.

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퀴즈

질문 1 / 10

기원전 430년쯤 처음 원자라는 생각을 떠올린 사람은 누구였을까요?

점수 0 / 10

대본

원자는 별거 아닌 것처럼 보일지 몰라도, 이 미세한 구성 요소에는 인류의 가장 큰 과제 중 하나, 즉 지구를 망치지 않고 불을 켜는 문제의 답이 될 엄청난 에너지 잠재력이 담겨 있어요.

문제는 핵에너지를 다루는 일이 좀 까다롭고, 잘못하면 꽤 끔찍할 수 있다는 거예요. 원자력의 놀라운 세계를 살펴보죠.

인간도 말 그대로 원자로 이루어져 있지만, 고대 그리스 철학자 레우키포스와 데모크리토스가 기원전 430년쯤 이 개념을 떠올리기 전까지는 아무도 원자의 존재를 몰랐습니다 [1,2,3]. 하지만 증거가 없었기에 거의 모두가 이를 무시했죠.

1900년대가 되어서야 원자의 존재가 마침내 증명됐고 [4,5,6], 1938년에는 독일의 명콤비 오토 한과 프리츠 슈트라스만이, 공로가 자주 묻히는 리제 마이트너의 도움을 받아 엄청난 에너지를 꺼내기 위해 원자를 쪼개는 방법을 알아냈습니다 - 핵분열이라 불리는 과정이죠 [7,8,9].

당연히 인간이 가장 먼저 한 일은 폭탄을 만드는 것이었습니다 [10]. 하지만 먼지가 가라앉은 뒤, 누군가 핵에너지로 토스터와 텔레비전, 탁상 조명도 돌릴 수 있다는 걸 깨달았고, 원자력이 탄생했습니다 [11,12].

그런데 핵에너지는 정확히 어떻게 방출될까요?

우선 알맞은 종류의 원자가 필요합니다. 우라늄-235처럼 무겁고 방사능을 띠는 원자는 불안정해서 가장 쉽게 쪼갤 수 있습니다 [13,14,15].

이 원자들을 연료봉에 넣고, 원자로에 삽입한 뒤, 중성자라는 아원자 입자를 쏘아대면 원자가 강제로 쪼개지면서 더 많은 중성자를 방출합니다 - 원자 도미노 게임처럼, 이 중성자들이 다른 우라늄 원자와 부딪혀 연쇄 반응을 일으키죠.

이렇게 생긴 열은 물을 증기로 바꾸고, 증기는 터빈을 돌려 전기를 만듭니다. 아무것도 태우지 않고 탄소도 내보내지 않으면서요 [16-19].

석탄 1킬로그램과 비교하면 우라늄 1킬로그램은 15만 배 넘는 에너지를 만들고 [20,21,22], 우라늄은 지구에 꽤 흔하기 때문에 [23,24,25], 이 저탄소 에너지원은 수세기 동안 쓸 수 있습니다 [26].

화석 연료를 대체하면서, 원자력은 지난 50년 동안 거의 700억 톤의 이산화탄소 배출을 막았습니다 [27] …일본이나 인도가 지금까지 배출한 양보다 많은 CO2죠 [28].

하지만 어쩌면 가장 큰 장점은 끊김 없이 안정적으로 작동한다는 점이고, 이는 풍력과 태양광이 마주한 가장 큰 과제인 간헐성 문제를 해결할 수 있다는 뜻입니다. 풍력과 태양광은 날씨에 의존하기 때문에, 필요할 때 언제나 전기를 공급할 수는 없죠 [29-32].

그래서 인간이 흐리고 바람 없는 날에도 쓸 만큼 충분한 풍력과 태양광 에너지를 저장하는 방법을 알아낼 때까지 [33], 원자력은 화석 연료 의존도를 낮춰 주는 중요한 안정적 기저부하 전력원이 될 수 있습니다. 이미 전 세계 전력 생산의 9%를 차지하고 있죠 [34-37].

그렇다면 인간은 왜 원자력을 더 많이 쓰지 않을까요?

다들 속으로 떠올리는 문제를 짚어보죠: Three Mile Island [38,39], Chernobyl [40,41], Fukushima [42,43]. 이 원전 사고들은 홍보 면에서 딱히 좋지 않았습니다 - 모두 원자로 노심 냉각 실패와 인적 오류가 관련됐죠.

과열된 노심은 녹아내릴 수 있고 [44,45,46], 수십 년 동안 남아 있을 수 있는 위험한 수준의 방사선을 방출합니다… [47-50] 그러다 또 다른 큰 단점으로 넘어가게 되죠: 핵폐기물입니다!

우라늄 원자가 쪼개질 때 에너지만 나오는 게 아니라, 세슘-137과 스트론튬-90 같은 엄청나게 방사능이 강한 핵분열 생성물도 만들어집니다. 이 물질들은 수십 년 동안 남고, 수천 년 동안 방사능을 띠는 사용후핵연료를 남깁니다 [51,52,53].

핵폐기물은 핵무기 제조에 쓸 플루토늄을 추출하도록 재처리될 수도 있어, 점점 더 많은 나라가 폭탄을 만들 수단을 갖게 되면서 핵확산 위험을 낳습니다 [54,55,56].

비용 문제도 있습니다. 대형 원전은 짓는 데 오래 걸리고 비용도 많이 듭니다 [57,58,59], 공사 기간이 수십 년에 이르고 비용은 수백억 달러가 들기도 하죠 [60,61,62] - 풍력, 태양광, 심지어 화석 연료보다도 훨씬 많이 듭니다.

더 나쁜 건, 최근 수십 년간 새 발전소 건설 비용은 더 비싸진 반면 풍력과 태양광 같은 에너지원은 훨씬 저렴해졌다는 겁니다 [63,64,65].

그렇다면 인간은 대체 왜 원자력을 쓰는 걸까요?

놀랍게도 원자력은 매년 수백만 명의 목숨을 앗아가는 유독한 대기 오염을 뿜어내는 화석 연료보다 사실 훨씬 안전합니다 [65-71] - 원자력이 역사 전체에서 죽게 한 사람보다도 훨씬 많죠! [72-81].

실제로 원자력은 태양광 다음으로 안전한 에너지원입니다 [82,83].

그럼 핵폐기물 문제는 어떨까요? 역사적으로 인간은 누출을 막기 위해 이를 커다란 콘크리트 용기에 보관하거나 [84] 지하 저장 시설에 묻어왔습니다 [85,86].

수천 년 동안 폐기물을 안전하게 보관할 수 있는 심층 지질 처분장 [87,88,89] 이 핀란드, 스웨덴, 프랑스 지하에 건설되고 있습니다. 그러니 폐기물은 과제이긴 하지만 극복할 수 있고, 생산되는 전체 폐기물 양도 만들어지는 에너지에 비하면 적습니다 [90].

성가신 플루토늄은요? 이제는 현대 원자로의 폐기물에서 무기급 물질을 뽑아내기가 매우 어려워서, 장난칠 여지는 거의 없습니다! [91,92].

마지막 문제는 비용입니다. 발전소는 건설비가 비싸지만, 일단 가동되면 보통 60년에서 80년 동안 비교적 저렴하게 운영됩니다 [93,94,95] - 수명이 고작 20년에서 30년인 풍력과 태양광 설비보다 훨씬 길죠 [96,97,98]. 원전은 기존 전력망에 바로 연결할 수도 있지만, 풍력과 태양광은 간헐성 때문에 저장 시설과 송전망 개선이 필요합니다 [34,35,99,100].

용융염 원자로 같은 첨단 원자로 설계는 안전성과 효율을 더 높일 수 있습니다. 액체 연료를 쓰면 더 낮은 압력에서 더 높은 열효율로 작동할 수 있습니다. 또 자동 안전장치도 더 뛰어납니다: 연료가 과열되면 마개가 녹고 연료가 자동으로 빠져나와 식습니다. 참사는 피했네요! [101-106]

건설 현장 밖의 공장에서 만들어지는 소형 모듈 원자로에도 기대가 커지고 있고, 이는 초기 비용을 줄이는 것은 물론 건설 속도도 높일 수 있습니다 [107-110]. 기술 대기업들은 이미 데이터 센터에 전력을 공급하는 데 이 원자로를 쓰는 방안을 살펴보고 있고 [111,112,113], 해운 회사들도 미래의 컨테이너선을 움직이는 데 활용하려 합니다 [114-118].

자, 큰 질문입니다: 인간은 핵에너지를 써야 할까요? 음, 완벽한 에너지원은 없고, 핵분열에는 분명 단점이 있습니다. 주로 비싸고 건설에 수십 년이 걸릴 수 있다는 점이죠.

한편 풍력과 태양광 발전 단지는 더 빠르고 저렴하게 설치할 수 있고 [119,120,121], 배터리 저장 장치와 함께 비용도 빠르게 내려가고 있으며 [122,123,124] 앞으로 수십 년 동안 계속 떨어질 것으로 보입니다 [125-128].

새 원전이나 모듈형 원자로가 가동될 때쯤이면, 배터리 저장 장치의 지원을 받는 풍력과 태양광 같은 더 빠르게 발전하는 기술이 이미 주목받고 있을 수 있습니다 [125-131], 그래서 원자력은… 음, 파티에 좀 늦은 것처럼 느껴질 수도 있죠.

하지만 지금으로선 원자력은 끊김 없고 안전하며 믿을 수 있는 전력을 공급할 수 있는 몇 안 되는 저탄소 선택지 중 하나입니다. 그러니 인간이 탄소 배출을 진심으로 줄이려 한다면 [132], 적어도 기존 원전을 계속 가동하는 건 단순히 현명한 위험 관리가 아닙니다 - 필수입니다.

새 원자력 기술이 제때 비용 경쟁력을 갖출지, 아니면 에너지 저장 기술이 재생에너지를 우선 선택하는 해결책으로 만들지는 모르지만, 한 가지는 분명합니다… 경쟁은 이미 시작됐습니다!

전문가 자문단

감사의 말씀을 전합니다

Prof. Ian Farnan

케임브리지 대학교

케임브리지 원자력 에너지 센터

Dr. Nathaniel Read

케임브리지 대학교

공학부

Prof. Simon Middleburgh

뱅거 대학교

핵 미래 연구소

Prof. James Marrow

옥스퍼드대학교 맨스필드 칼리지

재료학과

추가 영상

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문제점과 경제성 - 프랑스 & 독일 상황

추가 자료

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원자로 요약

역사

단점과 해결책

혁신

참고 자료

여기에 링크된 자료는 모두 영어로 되어 있습니다.

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  127. [127] 에너지 재고하기 2020-2030 100% 태양광, 풍력, 배터리는 시작일 뿐 | ReThinkX (보존됨)
  128. [128] 우리가 너무 비관적인가? 태양광 발전, 풍력, 배터리의 비용 전망은 전 세계 실제 비용을 과대-추정하고 있다 | Applied Energy (참고 노트* 참조)
  129. [129] 에너지 재고하기 | ReThinkX (보존됨)
  130. [130] 전력 부문의 변화는 위협이 아니라 기회다 | RMI
  131. [131] 탈탄소화된 미국 전력 시스템에서 원자력의 미래 역할 | NLR (NREL)
  132. [132] 신규 원전 건설 자금 조달의 새로운 관점 | Nuclear Technology & Development Economics | OECD NEA

참고 노트

4-9

최초로 원자를 쪼갠 사람 vs 핵분열

코크로프트와 월턴은 1932년에 양성자로 리튬-7을 폭격해 원자를 쪼갰다. 이 연구는 질량/에너지 등가성(E=mc2)의 실험적 증거를 제공해 두 사람은 노벨상을 받았고, ‘핵에너지’(약 8 MeV - 메가전자볼트)가 방출된다는 것도 보여줬다. 마이트너, 한, 슈트라스만은 나중에 중성자로 우라늄을 폭격해 우라늄 원자핵의 분열을 일으켰고, 200 MeV의 에너지를 방출하며 핵 연쇄 반응을 가능하게 하는 2-3개의 중성자를 내놓았는데, 이 핵 연쇄 반응은 원래 1933년에 레오 실라르드가 구상했다.

20,21,22

우라늄의 에너지 밀도

일부 자료는 우라늄의 에너지 밀도가 석탄보다 수백만 배 높다고 설명한다. 사실이긴 하지만, 이 에너지 중 일부만 원자로에서 쓸모 있게 만들어낼 수 있다는 점에서 오해를 부릅니다.

  • U-235 = 3,900,000 MJ/kg
  • 석탄 = 24 MJ/kg
  • 원유 = 44 MJ/kg
32-35

원자력 기저부하 전력 - 조절 가능 vs 부하 추종

원전은 일단 건설되면, 비용-편익 분석에서 자주 빠지는 요인인 대규모 풍력·태양광의 전력망 연결, 배전, 저장에 현재 따르는 비용과 복잡성을 피하면서, 지속적이고 안정적이며 쉽게 통합할 수 있고 ‘급전 가능한’ 전력을 제공할 수 있다. 하지만 원자력은 에너지 잉여나 수요 피크에 맞춰 빠르게 출력을 올리거나 내릴 수 있는 ‘부하 추종형’이 아닌 ‘기저부하’ 에너지원이다. 따라서 기존 기저부하 전원과 같은 문제를 안고 있다 A. 이 문제를 해결하기 위해 첨단 원자로는 잉여 전력을 저장하는 용융염 열 저장소를 쓰고 있으며, 프랑스처럼 원자로가 연결된 네트워크는 비교적 작고 보완적인 출력 조정으로 효과적으로 대응할 수 있다.

(Ian Farnan 교수의 논평, 2024)

57-63

원자력 비용

신규 유틸리티급 발전 기술의 비용 및 성능 추정치. (2019년 - 미국만) B

기본 비용 추정치:

  • 첨단 원자력: 6,041달러/kW
  • 수력발전소 100 MW: 5,316달러/kW
  • 해상풍력: 4,375달러/kW
  • 바이오매스: 4,097달러/kW
  • 초초임계 석탄 (CO2 포집 제외): 3,676달러/kW
  • 지열발전소: 2,521달러/kW
  • 육상풍력, 소형: 1,677달러/kW
  • 육상풍력, 대형: 1,265달러/kW
  • 태양광 PV: 1,313달러/kW
  • 가스 (복합화력 - 단축): 1,084달러/kW
  • 가스 (복합화력 - 다축): 958달러/kW
  • 가스 (가스터빈 - 항공 파생형): 1,175달러/kW
  • 가스 (가스터빈 - 산업용 프레임): 713달러/kW

“신규 원전 설비는 현재 총비용이 5,500달러/kW에서 8,100달러/kW, 또는 1,100 MW 발전소 1기당 60억 달러에서 90억 달러가 될 것으로 나타나고 있다.” (2008년) C

“2007년, 무디스는 미국의 신규 1,000 MW 원자로 1기 ‘총비용’을 50억-60억 달러 범위로 제시했다.” D

(원자력 경제성의 미래에 관한 보너스 자료 보기)

65

균등화 발전비용(LCOE) 그래프

대표 그래프는 2025년 6월 발간된 Lazard의 LCOE+ 보고서 내용을 종합한 것으로, 연간 LCOE 연구의 평균 무보조 LCOE 값을 보여준다. 북미 에너지 환경을 주로 다루지만, 더 넓은 세계적 비용 변화도 반영한다. 다른 재생에너지 기술의 전 세계 평균 유틸리티급 LCOE 추이는 출처 E에서 확인할 수 있다.

66-71

화석 연료 관련 사망에 대한 논평

화석연료 사용으로 인한 조기 사망의 정확한 수는 출처마다 크게 다르고, 정확한 원인 귀속이 어렵기 때문에 모두 추정치라서 정확한 수치를 제시할 수 없다.

  • [66] 화석연료 연소로 생긴 대기오염의 건강 영향으로 2015년에 발생한 연간 초과 사망을 산정한다. 전 세계 사망자는 361만 명이며, 중국은 150만 명으로 가장 많은 사망자를 기록했다.
  • [67] PM2.5 노출(화석연료 연소에서 배출되는 공기 중 미세입자)로 인한 2012년 조기 사망자를 1,020만 명으로 추정하며, 중국은 390만 명, 인도는 250만 명이다.
  • [68] 미세입자와 오존 오염으로 인한 2019년 초과 사망자를 834만 명으로 추정하며, 그중 대부분(52%)은 해당 오염에 직접 반응한 심장대사 질환 때문에 발생했다.
  • [69] 대기오염(오존과 미세입자 노출)으로 인한 전 세계 연간 총 초과 사망률을 879만 명으로 모델링했으며, 건강 문제로 인해 영향을 받은 사람 1명당 평균 기대수명은 26.5년 줄고 전 세계 평균 기대수명도 2.9년 줄어든다고 본다. 이 모델은 IPCC 권고에 맞춰 각각 20년과 30년 기간으로 실행한 대기화학-일반순환 모델과 전 세계 노출 사망률 모델을 사용했다.
  • [70] [69] 와 비슷한 방법을 쓰되 2015년을 대상으로, 인위적인 화석연료 배출과 자연 대기오염(산불에서 발생하며, 지구온난화가 심해지면서 더 강해지고/잦아지는 화석연료 배출의 간접적 결과라고 볼 수도 있음)을 포함한 모든 주변 대기오염으로 인한 전 세계 연간 초과 사망자를 880만 명으로 추정한다. 또 전 세계 평균 기대수명이 2.9년 줄며, 이 중 1.7년은 모든 인위적 배출에서, 1.1년은 화석연료 배출만으로 인한 것이라고 추정한다. 비교하자면, 담배는 연간 720만 명의 목숨을 앗아가며 기대수명을 2.2년 줄인다.
  • [71] 화석연료를 원자력으로 대체해 사망률이 줄어든다는 주장을 요약하며, 1971-2009년 순 사망 180만 명을 막았고 연평균 7.6만 명이며 범위는 1.9만-30만 명이라고 말한다. 또 원자력은 갈탄보다 사망자가 99.9% 적고, 석탄보다 99.8% 적으며, 석유보다 99.7% 적고, 가스보다 97.6% 적다고 설명한다.
72-81

원자력 관련 사망에 대한 논평

핵 방사선의 장기적 영향, 관련 위험 수준, 사고 보고의 질 때문에 원자력과 관련 사고로 인한 정확한 조기 사망자 수를 정확히 계산하는 것은 거의 불가능하다.

  • [72] 원전 유지보수 중 발생한 직접 사망자 목록이다. 모두 비민간인 사망으로, 총 50명이다.
  • [73] 원자력 도입 이후 전 세계에서 30건의 사고가 보고됐으며, 가장 크고 중요한 사고는 체르노빌(1986), 후쿠시마 다이이치(2011), 스리마일섬(1979) 사고다.
  • [74] 체르노빌 사고는 원자력 사고가 낳을 수 있는 가장 심각한 영향을 보여준다. 직후 30명이 사망했다. 하지만 관련 질환으로 인한 정확한 사망자 수는 여전히 논쟁거리이며, 2000년대 초 일부 보고서는 암 위험으로 2065년까지 최대 16,000-60,000명이 사망할 수 있다고 예상했다. WHO는 2005년에 피폭량을 바탕으로 최대 사망자 수는 4,000명에 더 가까울 것이라는 보고서를 냈고, 2018년 UNSCEAR는 일반 대중의 피폭은 매우 낮았다는 2008년 결론과 같은 내용의 후속 보고서를 발표했다.
  • [75] 사고 직후 발표된 앞서 언급한 WHO 보고서의 근거가 되었으며, 이 보고서는 예상 사망자 수를 약 9,000명으로 추정했다. 하지만 연구에는 벨라루스, 러시아 연방, 우크라이나만 포함됐다.
  • [76] 같은 저자가 [75] 뒤에 낸 업데이트 보고서로, 이제 유럽 나머지 지역도 포함했고 WHO 보고서 이후 발표됐으며, 여러 암으로 인한 사망자 수를 14,000명으로 예상했다.
  • [77] 사망자 수 추정치가 다른 이유를 설명하고 차이를 짚으며, WHO의 맥락 설명 부족을 비판한다.
  • [78] 이전의 유럽 전체 사망자 추정치 60,000명을 40,000명으로 낮춘 더 최근의 보고서이며, [76] 의 맥락과 함께 큰 불확실성 범위도 강조한다.
  • [79] 다음으로 심각한 원자력 재난인 후쿠시마와 관련해 - [79]는 원전 사고 자체와 방사선 질환으로 인한 사망자는 각각 0명이라고 보고하지만, 안전을 위해 100,000명이 대피한 과정에서 발생한 ‘재난 관련 사망자’는 2,313명이라고 보고한다. 이 수치에는 지진이나 쓰나미로 인한 사망자는 포함되지 않는다.
  • [80] 2012년 공식 보고서는 방사선으로 인한 사망자(후쿠시마)가 0명이라고 밝힌다. 하지만 대피 스트레스로 인한 사망자는 573명이라고 한다.
  • [81] 이 연구는 방사선으로 인한 사망자를 최대 1,000명으로 예상하지만, 장기 데이터와 피폭량 추정치가 부족해 이 수치는 논쟁거리다(후쿠시마).

앞서 짚었듯 원자력으로 인한 민간인 사망은 거의 모두 두 건의 사고에서 나왔고, 총사망자 수는 미래까지 예상한 수치인 반면, 화석연료 관련 대기오염은 전 세계 모든 지역에 계속 영향을 준다. 따라서 추정치, 사망과 질병의 원인 귀속, 고품질 데이터 부족 때문에 화석연료와 핵에너지에 따른 사망자를 계산할 때 큰 불확실성이 있지만, 화석연료 연소로 인한 사망자는 원자력 사고로 인한 사망자를 훨씬 넘어서며, 모든 핵에너지의 1950년대 이후 총 예상 사망자 수 약 60,000명(상한 추정치)과 비교하면 화석연료는 매년 수백만 명의 초과 사망을 낳는다.

128

태양광, 풍력, 배터리 비용 그래프와 미래 전망

주요 그래프는 2020년부터 2050년까지 육상풍력과 유틸리티급 태양광 PV 재생에너지의 예상 세계 평균 발전비용(발전량 1 MWh당 미화 기준 LCOE), 그리고 고정식 4-h 리튬이온 배터리(BESS)의 예상 에너지 저장비용(설치된 저장장치 용량 1 kWh당 미화 기준 CAPEX)을 보여줍니다. 이 데이터는 세계 평균 비용 전망을 평가한 [128] 에서 수집했습니다. 각 기술과 비용 지표(LCOE & CAPEX)에 대해, 이 연구는 여러 지역 및 세계 단위 연구의 평균 비용 전망을 모았습니다. 이들 연구에서는 다양한 시간 해상도, 전망 기간(예: 매년 또는 5년마다, 2030년, 2040년 또는 2050년까지), 그리고 일관성으로 연간 예상치를 제시했습니다. 주요 그래프를 위해 각 기술의 대표 경로 하나를 만들고자, 이용 가능한 전망치의 전체 평균을 계산했습니다.

연간 전망치가 일관되지 않아, 기여한 추정치의 표본 크기가 달라진 일부 구간에서는 평균 흐름이 가끔 왜곡됐습니다. 그럼에도 전망의 해상도, 간격, 그리고 그에 따른 데이터 공백은 대부분의 데이터셋에서 일관됐습니다. 따라서 이용 가능한 추정치를 바탕으로, 각 연구에서 처음과 마지막으로 보고한 추정치 사이의 연간 값을 만들기 위해 모든 데이터에 단순 선형 보간을 적용했습니다. 어떤 연구의 개별 범위를 넘어 전망치를 외삽하지 않았으므로, 2050년까지의 추정치가 없거나 2020년 무렵보다 늦게 시작한 자료는 제외했습니다.

최종 표본은 태양광 PV용 보간 데이터셋 11개, 풍력용 9개, 배터리용 9개로 구성됐습니다. 이 자료들에서 연평균 예상 비용을 계산해 그래프에 표시했습니다. 풍력/태양광의 LCOE는 생산 전력 1 MWh당 미화로, 배터리의 CAPEX는 저장장치의 표준 비용 지표인 용량 1 kWh당 미화로 표시됩니다. 균등화 발전비용(Levelized Cost of Electricity, LCOE)은 자본비, 운영비, 유지보수비를 모두 포함해 시간에 따라 평균낸 전체 발전 시스템 비용을 뜻합니다. 배터리는 자체적으로 전기를 생산하지 않으며, 이에 해당하는 균등화 저장비용(LCOS)은 [128] 에서 제공되지 않았습니다. 대신 이 연구는 초기 투자비를 나타내는 CAPEX를 제공했습니다. 수명 기간 발전량 가중 LCOE와 직접 비교할 수는 없지만, 완전히 설치된 4-h 리튬이온 BESS에 대해 [128] 가 모델링한 시스템 수준 CAPEX 비용 전망은 배터리 모듈과 모든 시스템 부대비용을 포함하는 넓고 포괄적인 시스템 경계를 다루므로, 데이터 변환이나 추가 가정, [128] 의 연구 범위를 벗어나는 일을 피하는 가장 적절하고 비교 가능한 지표 역할을 합니다.

이 전망들은 각각 여러 연구의 평균을 나타내므로, 이 기술들의 비용 경로에 대한 분명한 합의를 보여줍니다. 하지만 [128] 은 이 전망들이 지나치게 ‘비관적’일 수 있다고 말합니다. 여러 실증 자료에서 모은 과거 세계 시장 데이터와 비교해, 예상 비용은 뚜렷하게 과대평가됐고 최근 몇 년간 비용 하락 속도는 뚜렷하게 과소평가됐음을 보여줍니다. 대부분의 전망이 시작된 시점부터 현재(~2020-2024)까지, 유틸리티급 태양광 PV, 육상풍력, 리튬이온 BESS 모두에서 평균 전망치는 대체로 과거 값보다 높습니다. 태양광은 예상치와 어느 정도 맞지만, 육상풍력과 배터리의 예상 비용은 보고된 값보다 훨씬 높습니다. 모두 예상보다 더 빠르게 하락했습니다. 이런 예상을 뒤엎는 흐름이 계속된다면, 이 기술들의 미래 실제 비용은 오늘의 전망보다도 더 낮을 수 있으며, 재생에너지와 에너지 저장 비용이 빠르게 떨어지고 2050년까지 계속 하락할 것이라는 기대를 뒷받침합니다.

보너스 자료

13-19

폭탄 vs 원자로

원자폭탄과 달리, 발전소 원자로의 핵분열 연쇄 반응은 피동적 열 피드백 과정, 제어봉, 감속재, ‘저농축’ 연료를 써서 조절됩니다.

원자로는 반응도의 음의 온도 계수를 보이는 재료와 연료 종류로 설계되는데, 이는 열이 방출되고 연료의 온도가 올라갈수록 노심의 반응도는 낮아진다는 뜻입니다. 온도가 높아지면 원자 사이의 진동과 간격이 커져 중성자를 포획할 가능성이 줄어듭니다. 이런 자연스러운 특성은 시스템이 과열되기 시작해도 반응을 안정적이고 통제된 상태(즉, 임계† 상태)로 유지해, 본질적인 안전 장치를 제공합니다.

중성자를 흡수하고 핵분열하지 않는 물질(보통 붕소)로 만든 제어봉은 남는 중성자를 흡수해 연쇄 반응을 통제하는 데 도움을 줍니다. 운전자는 제어봉을 올리거나 내려 연쇄 반응을 조작하고, 그에 따라 원자로의 출력도 조절할 수 있습니다: 제어봉을 올리면 반응이 빨라지고, 내리면 느려지거나 완전히 멈춥니다. 제어봉은 페일세이프 방식으로 설계돼 비상 상황이나 고장 또는 전원 장애가 발생하면 원자로를 자동으로 멈춥니다. 그 외에는 미세 조정에 쓰이고, 대부분의 일은 피동적 피드백 과정이 맡습니다.

원자로는 보통 노심 안의 주요 연료로 우라늄-235(U-235)를 쓰지만, 연쇄 반응을 유지하는 데 ‘핵분열성’이 더 낮거나 덜 효과적인 여러 다른 우라늄 동위원소도 들어 있습니다. 연료 농축은 다른 동위원소와 비교해 노심 안 U-235의 농도를 높이는 과정입니다. 천연 우라늄에는 U-235가 약 0.7%밖에 없고, 나머지는 대부분 U-238입니다. 대부분의 민간 원자로는 안정적이고 관리 가능한 반응과 에너지 방출을 위해 보통 U-235를 3-5%까지 농축한 저농축 우라늄(LEU)을 쓰는 반면, 무기급 고농축 우라늄(HEU)에는 U-235가 약 90% 들어 있어 폭탄에 필요한 빠르고 통제되지 않는 연쇄 반응과 급격하고 폭발적인 에너지 방출을 일으키기에 충분합니다. 이 수준까지 농축하는 일은 어렵고 국제 규제로 제한되며, 핵확산을 막기 위해 그 밖의 경우에도 엄격히 통제되고 감시됩니다(아래에서 더 보기). LEU로도 원자로를 녹일 만큼 큰 출력 급증을 일으킬 수는 있지만, 원자폭탄에 견줄 만큼 크지는 않습니다.

마지막으로, 많은 원자로에는 감속재가 들어 있습니다. U-235는 핵분열성이 더 크지만 처음부터 고에너지 중성자를 쉽게 흡수하지는 못해서 약간의 도움이 필요합니다. 중성자 포획을 늘리기 위해 보통 원자로 노심을 식히는 데 쓰이는 일반 또는 ‘경수’, 중수(D2O), 고순도 흑연 같은 감속재로 중성자의 속도를 낮추는데, 뒤의 두 가지는 중성자를 흡수하지 않으면서 아주 잘 느리게 만듭니다.

-

†원자로는 안정적이고 통제된 속도로 운전될 때 ‘임계’ 상태라고 합니다.

54-56, 91-92

재활용, 재처리와 핵 확산

운전 중 원자로 연료는 중성자를 흡수해 다른 무거운 원소로 바뀌거나, 쪼개져 ‘핵분열 생성물’이라 불리는 훨씬 가벼운 원소가 되면서 핵분열을 일으켜 에너지(와 더 많은 자유 중성자)를 방출합니다.

원자로 연료에 풍부한 동위원소인 우라늄-238(U-238) 일부는 중성자를 포획하고, 결국 플루토늄-239(Pu-239)로 변합니다. Pu-239는 빠르고 폭발적인 연쇄 반응을 유지할 수 있어, 전 세계 핵무기에 쓰이는 주요 동위원소로서 훨씬 더 ‘핵분열성’이 높고 선호됩니다. Pu-239가 만들어지면 추가 중성자를 흡수해 핵분열성이 더 낮은 다른 플루토늄 동위원소(예: Pu-240)를 만들며, 이들은 원자로 안에 빠르게 쌓여 무기용으로는 덜 적합해집니다 - LEU와 조금 비슷합니다.

사용후핵연료에는 이런 플루토늄 동위원소와 다른 핵분열 생성물, 일부 남은 미사용 우라늄, 그리고 핵분열성이 낮은 열화 우라늄 동위원소가 폐기물로 함께 들어 있습니다. 과학자들은 이 폐기물을 재활용하는 방법을 개발하고 있으며, 고속증식로(FBR) 같은 일부 원자로 설계는 이를 다시 연료로 쓸 수도 있습니다. 보통 이는 기존 원자로에는 덜 적합했을 우라늄 및 플루토늄 동위원소 혼합물을 담은 MOX(혼합 산화물) 연료 형태입니다.

FBR은 중성자 속도를 늦추는 감속재를 전혀 쓰지 않고 사용후핵연료에 더 빠른 중성자를 쏘는 방식으로 작동합니다(그래서 더 고도화된 안전 기능이 필요합니다). 이는 더 빠른 연쇄 반응을 일으켜, 플루토늄 농도가 높고 핵분열성이 낮은 동위원소가 더 많은 MOX 같은 혼합 연료도 효과적으로 써서 에너지를 방출할 수 있게 합니다. 심지어 이들을 기존 연료로 다시 쓸 수 있는, 핵분열성이 더 높은 새 동위원소로 바꿀 수도 있습니다. 이는 처음 있던 것보다 더 많은 핵분열성 물질을 만들어내기 때문에 ‘증식’이라 부릅니다. 따라서 FBR은 연료 이용률을 높여 우라늄 자원의 수명을 늘리고 장기 폐기물을 줄입니다.

하지만 핵폐기물을 연료로 다시 쓰려면 먼저 화학적으로 재처리해 핵분열 중 쌓이는, 재활용할 수 없는 다른 생성물을 제거해야 합니다††. 이런 핵분열 생성물도 중성자를 흡수해 연쇄 반응을 방해하며, 원자로 효율을 낮추고 반응도 제어를 더 어렵게 만듭니다. 원자로는 연쇄 반응을 유지하려면 일정 농도의 핵분열성 물질(예: Pu-239 또는 U-235)도 필요합니다. 재처리를 하면 이런 물질을 추출하고 농축해 MOX로 만들고, 다른 핵분열 생성물은 남겨둘 수 있습니다.

재처리는 핵무기 제조를 위해 Pu-239를 농축하고 추출하는 데도 쓸 수 있습니다. 하지만 엄격한 규제와 국가 및 국제 연료 주기 활동에 대한 감시·통제 조치를 포함해, 무기용 플루토늄 전용을 효과적으로 막는 국제 안전조치가 마련되어 있습니다. 민간 원자로는 보통 느려진 중성자를 사용하며, 이 중성자는 주로 U-238이 아닌 U-235에 흡수되어 핵분열을 일으키므로 민간 원자로는 Pu-239를 덜 효율적으로 만듭니다†††. 상업용 원자로의 사용후핵연료에서 회수한 플루토늄은 동위원소 조성이 섞여 있어 무기에는 적합하지 않습니다. 순수한 무기급 Pu-239를 얻으려면 다른 동위원소가 쌓이기 전인 원자로 주기 초기에 이를 추출하고 재처리해야 합니다. 그렇지 않으면 분리 과정은 특수 기술, 막대한 자원, 폭넓은 전문지식을 요구하는 매우 어렵고 복잡하며 비싼 일이 됩니다.

핵무기는 보통 우라늄 농축에 기반한 더 실용적인 경로로 만들거나, 무기급 플루토늄 생산에 전념하도록 최적화된 군사 프로그램의 원자로 같은 특수 원자로를 이용해 만듭니다. 따라서 민간 원전 자체는 원자로 연료로 무기에 쓸 수 있는 물질을 만들기 어렵기 때문에 높은 핵확산 위험으로 보지는 않습니다. 하지만 일부는 국가가 핵무기 개발에 필요한 물질, 기술, 전문지식의 공급원이나 위장 수단으로 민간 핵연료 주기를 활용할 위험은 여전히 남아 있다고 주장합니다.

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††기존 원자로와 달리 FBR은 핵폐기물 가운데 가장 오래 남고 방사독성이 높은 성분에 속하는 미량 악티나이드(아메리슘과 퀴륨 같은 원소) 같은 일부 핵분열 부산물을 소모할 수 있습니다. 이를 ‘악티나이드 소각’이라고 합니다. 재처리 시설은 많은 핵분열 생성물을 분리하는 한편, 악티나이드는 저장할 필요 없이 소모되도록 연료 혼합물에 남겨둘 수 있습니다. 따라서 FBR은 장기적으로 잠재적 피해를 줄 수 있는 방사성 폐기물을 더 줄이는 데 기여합니다.

†††FBR은 U-238에서 Pu-239 같은 핵분열성 동위원소를 증식하도록 특별히 설계되어(기존 원자로에서도 일어나지만 효율은 더 낮습니다), 핵확산 위험을 더 키울 수 있습니다. 하지만 FBR은 균형 잡힌 주기 안에서 만들어지는 Pu-239를 생산(증식)하는 동시에 소모(소각)합니다. 그리고 기존 원자로처럼, 이미 소모되지 않은 플루토늄도 빠르게 섞이거나 Pu-240처럼 핵분열성이 더 낮은 다른 플루토늄 동위원소로 바뀝니다. FBR은 플루토늄이 폐기물로 쌓이게 두는 대신 사용할 수 있는 연료로 바꿔, 전용되거나 도난당할 수 있는 플루토늄의 양도 줄이는 데 도움을 줍니다.

(Dr. Nathaniel Read의 2024년 추가 참고문헌 및 해설을 바탕으로 함).

추가 참고자료 및 읽을거리

핵연료 주기와 농축

핵연료 주기 개요 | 세계원자력협회

우라늄 농축 | 세계원자력협회

우라늄 처리 | 채굴, 정련 및 농축 | 브리태니커

고속 중성자 원자로 | 세계원자력협회

폐기물 재활용

핵폐기물 관리의 동향과 전망: 회수, 재활용 및 재사용 | Journal of Nuclear Engineering

재처리 | NRC.gov

핵연료 재처리 | Idaho National Laboratory | 미국 에너지부

사용후핵연료 처리 | 세계원자력협회

방사성 폐기물 관리에서 분리와 핵변환의 영향 | IAEA

지속 가능한 에너지 미래를 위한 핵폐기물 감축과 효율 향상 | IAEA

핵폐기물이 부담이 아닌 자산이 될 때 | IAEA

원자력 제어 및 안전 시스템

원자력발전소 안전 | 세계원자력협회

원자력발전소 기본 안전 원칙 | INSAG | IAEA

원자력 안전 - 개요 | ScienceDirect Topics

극한 사건에 맞선 원자력의 회복력과 안전 | IAEA

원자력 규제 개편 | Environmental Health Perspectives

격납 시스템 | IAEA

격납 구조물 - 개요 | ScienceDirect Topics

57-63

원자력 경제성의 미래

원전 건설 사업의 치솟는 비용 중 최대 3분의 2는 금융 비용 때문일 수 있어요. 이런 사업은 보통 높은 이자율의 프로젝트 파이낸싱을 통해 전력회사와 다른 투자자들이 자금을 댄다. 높은 초기 비용(주로 자본 비용과 건설 위험을 보장하는 보험료), 긴 건설 기간과 잦은 지연 때문에 새 발전소의 총비용은 건설 과정에서 3배 넘게 불어날 수 있고, 결국 많은 손실 처리와 취소로 이어진다. 여기에 대중의 반대, 긴 해체 과정, 원자력 전문성의 점진적 감소 같은 복잡한 요인까지 더해진다.

하지만 원자력 자금 조달 방식은 곧 바뀔 수도 있다. SMR은 더 낮은 초기 비용과 더 짧은 건설 기간으로 이런 문제 상당수를 해결할 수도 있다. 기본적으로는 같은 기술이지만, 이 원자로들은 원자력의 재정적 부담과 경제성을 바꾸고 있어 많은 나라가 이제 대규모 전력망 도입을 검토하고 있다. AI와 데이터센터 사업자는 현금으로 낼 수 있고, 대형 화학, 산업, 광산 기업도 그럴 수 있어 이자를 피할 수 있다. 현장 내 원자력 발전을 하면 간헐적 재생에너지의 전력망 연결 및 배전 비용도 피할 수 있다.

(이언 파넌 교수와 사이먼 미들버그 교수의 추가 참고자료 및 해설을 바탕으로, 2024)

추가 참고자료 및 읽을거리

신규 원전 건설 비용 절감 | 부문 협약 실무 그룹 | NIA (보관됨)

넷제로에는 원자력이 필요하다: 원자력 3배 확대에는 금융이 필요하다 | OECD 원자력에너지기구

원자력 발전소 건설 비용 초과의 원인, 공학 설계에 새 접근법 필요 | Joule

원자력 안전과 저렴한 원자로: 둘 다 가질 수 있을까? | Bulletin of the Atomic Scientists

건설 지연으로 신규 원전은 그 어느 때보다 비싸지고 있다 | Imperial News | 임페리얼 칼리지 런던

인프라 개발에 대한 대중 반대 평가: 원자력 사업 사례 | Construction Research Congress 2012

원자력 에너지와 핵무기에 대한 여론: 미국의 태도적 연결고리 | Energy Research & Social Science

사회적 수용성 과제 | 미국의 신규 및 첨단 원자로 기반 마련 | The National Academies Press

원전 해체 | IAEA

원자력 발전소 해체 비용 | OECD 원자력에너지기구

미래의 원자력 인력 - 국제 원자력 부문의 기회와 필요 | 유럽원자력학회

미국의 원자력 공학 인력 | Journal of Applied Clinical Medical Physics

원자력 기술 격차와 우리 미래의 다양성 | Nuclear Institute

낭비된 원자력: 원자력 에너지 비용이 오해받는 이유 | Mackinac Center

원자력의 추가 이점

  • 열 생산 - 기본적인 열역학 법칙 때문에 원자로에서 만들어지는 열의 3분의 2는 버려집니다. 열병합발전은 원자력을 포함한 여러 발전 방식에서 관심과 가능성이 커지고 있는 분야입니다. 폐열은 지역난방이나 해수 담수화 같은 보완적 용도로 회수해 돌려 전체 효율을 높일 수 있습니다. 폐열은 직접공기탄소포집에 쓸 수 있고, 탄소 감축이 어려운 산업 공정에 열을 공급할 고온 원자로에도 기대가 커지고 있습니다.
  • 핵의학 - 방사성 동위원소는 암과 다른 질환의 진단과 치료에 꾸준히 쓰입니다. 이런 제품을 만드는 데 의존해 온 원자로들이 노후화되어 차례로 폐쇄되고 있어 공급 부족이 커지고 있습니다. 원자력 투자와 새 원자로 건설은 이 문제 해결에 도움이 될 수 있습니다.

(2024년 네이선리얼 리드 박사의 추가 참고자료와 해설을 바탕으로 함)

추가 참고자료 및 읽을거리

열병합발전을 위한 재생에너지 통합 종합 검토 | Energy Conversion and Management

의학에서의 방사성 동위원소 | 세계원자력협회

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