앞으로 원자력은 어떻게 이용될까. 현재 사용되고 있는 원자로의 미래모습과 방사선의 다양한 활용분야를 살펴보자.

최근의 우루과이라운드(UR) 협상 타결 이후 세계 각국은 무한 경쟁 시대에 대비하고 자국의 이익을 극대화하기 위한 경쟁력 강화에 박차를 가하고 있다. 국경을 넘어선 경제 블럭화, 지적소유권 보호의 강화 등으로 세계 최고의 기술만이 살아남을 수 있는 시대가 다가온 것이다.

앞으로 다가올 21세기는 과학기술력이 국가의 경쟁력을 좌우하는 시대가 될 것이다. 이와 함께 21세기에도 경제성장과 인구증가에 따라 에너지 소비량은 지속적으로 증가할 것으로 전망되나, 에너지 자원 중 대부분을 차지하고 있는 화석 연료는 그 매장량이 한정되어 있으므로 우리나라와 같이 부존자원이 빈약한 국가에 있어서 에너지 자원의 안정적 확보는 국가가 중점적으로 추진해야 할 문제다.

21세기에 인류가 해결해야 할 또 하나의 문제는 지속적인 경제성장을 유지하면서도 지구환경을 보전하는 것이다. 이러한 인식은 선진국들을 중심으로 점차 확대되고 있으며, 실질적인 환경 보전 방안은 우루과이 라운드 협상 이후의 환경 라운드(Green Round)협상에서 구체화될 전망이다.

이같은 전망들은 대체에너지원 개발의 필요성을 더욱 증대시키고 있으나, 신재생 에너지원의 개발 및 이용실적이 워낙 저조해 당분간 화석 연료를 대체할만한 획기적인 대체에너지의 개발을 기대하기는 어려울 전망이다. 이렇듯 밝지만은 않은 우리의 미래에 원자력이 과연 어떠한 역할을 담당할 수 있을 것인가에 대해 살펴보자.

에너지와 방사선

원자력 에너지는 1978년 고리 1호기가 가동을 시작하면서 우리나라에서는 처음으로 발전분야에 이용되기 시작했다. 원자력 발전은 그 단가 중 수입 연료가 차지하는 비중이 10% 정도로 매우 낮다. 만일 핵연료주기 기술이 확립된다면 1%가량으로 더욱 낮아질 것이다. 또한 소량의 연료로 막대한 에너지를 얻을 수 있고, 발전 원가가 저렴하고 안정적이며, 연료 비축성이 좋아 공급 두절 등에 대한 우려가 없는 특징이 있다.

이와 같은 이유로 흔히 원자력이라고 하면 원자력발전소를 연상하기 쉬우나, 이외에도 원자력을 이용하는 분야는 매우 광범위하다. 원자력을 이용하는 분야를 크게 구분할 때는 보통 에너지를 이용하는 분야와 방사선을 이용하는 분야로 나눈다. 에너지를 이용하는 분야라고 할 때의 에너지를 원리면에서 보면, 크게 우라늄과 같은 원자핵이 분열하면서 발생하는 핵분열 에너지와 수소 원자핵과 같은 가벼운 원자핵이 합쳐지면서 발생하는 핵융합 에너지로 구분할 수 있다.

또한 사용하는 목적에 따라 분류해 보면, 전기를 생산하기 위한 것과, 열에너지 자체를 이용해서 난방 공정열 등으로 사용하는 것, 선박이나 우주선 등의 추진력으로 사용하는 것 등으로 나눌 수 있다. 방사선이나 방사성동위원소를 이용하는 분야는 적용되는 산업분야에 따라 의학적이용 공학적이용 농학적이용 등으로 구분할 수 있다.

에너지 이용분야는 원자로에서 발생하는 에너지를 어떤 방법으로 사용하느냐에 따라 여러가지로 나눌 수 있지만, 결과적으로는 미래에 어떤 원자로들이 개발되느냐로 판단할 수 있다. 원자로의 개발은 그 동안 주로 전기를 생산하는 목적으로 개발돼 왔다. 세계적으로 1992년 말 현재 운전중인 4백 21기의 원자로에서 총 2천27TWh(lTWh=${10}^{12}$Wh)의 전력을 생산했으며, 이는 같은 해 세계전력 총생산량 1만2천1백68TWh의 16.7%를 차지하는 양이었다.

세계의 원자력 발전을 노형별로 살펴보면 현재 운전중인 원자력발전소 중에서 경수로가 전체의 77%를 차지하고 있으며, 다음으로 중수로가 32기에 이르고 있다.

◆ 보편적인 경수로

세계적으로 가장 많이 보급되고 운전경험이 많은 경수로는 이미 원자로의 안전성 경제성 신뢰성이 입증돼 있다. 이 원자로는 냉각수의 비등을 허용하느냐에 따라 가압경수로(PWR) 비등경수로(BWR)로 나눌다. 이러한 형태의 원자로 기술개발 동향은 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

■ 개량형 경수로

현재 운전중인 발전로를 바탕으로 설계를 개선하고자 하는 노형. 대부분 9백MW급 이상의 대용량을 개발 목표로 하고 있다. 이를 위해 미국은 웨스팅하우스사에서 1천3백60MW의 표준화 P-4 시리즈의 경제성을 개선한 N4모형을 건설 중에 있다. 프라마톤사는 독일과 합작회사를 설립하여 유럽형 차세대경수로 기술을 개발하고 있다.

우리나라에서는 2006년까지 1천MW급 한국형 표준원전(Korean Standard Nuclear, KSN-1)6기를 추가 건설한 예정이다.

■ 피동형경수로

현재 운전하고 있는 원자로는 사고를 방지하거나, 발생한 사고의 영향을 최소화하기 위해 다중으로 설치돼 있는 비상노심냉각계통(ECCS)과 같은 안전계통들이 인위적이고 능동적이다. 따라서 기기가 고장나거나 운전원이 실수를 할 경우(물론 이러한 경우는 극히 드물다) 대처하기가 곤란하다는 단점을 가지고 있다. 이러한 점에 착안하여 이 원자로에서는 안전계통에 피동적 개념을 도입하여 중력, 자연순환, 자체의 에너지 등을 활용함으로써 설계를 간소화한다는 장점이 있다. 그러나 새로운 개념이 많이 도입되는 노형이므로 많은 연구 개발이 필요하다. 이러한 원자로로는 미국의 에너지부가 지원하는 웨스팅하우스의 AP-600과 GE사의 SBWR이 있다. 현재 국내에서는 산업계와 연구계, 학계가 공동으로 2015년에 건설할 것을 목표로 차세대 개량형경수로를 연구개발하고 있다.

■ 고유안전로

기존 원자로는 출력을 제어하는데 사용하는 제어봉이 어떤 이유로 삽입되지 않으면(물론 이러한 경우도 지극히 드물다) 심각한 사고를 초래할 수 있다. 이 원자로에서는 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해 사고나 이상이 발생하면 노심과 노심이 담긴 수조 사이에 설치된 개폐기를 통해 중성자의 흡수 능력이 뛰어난 붕산수가 밀도차에 의해 자동으로 유입 된다. 유입된 붕산수의 자연적인 순환에 의한 노심 냉각으로 안전성을 확보하고자 하는 것이다. 이 원자로는 아세아아톰사가 개발한 PIUS라는 원자로에서 제시한 것으로 규모는 6백 MW이다.

◆ 천연우라늄 사용하는 중수로

캐나다에서 개발된 중수로 기술은 위의 경수로 기술을 제외하고 가장 많이 사용되고 있다. 중수를 감속재로 사용하며, 이에 따라 천연 우라늄을 연료로 사용하기 때문에 연료비가 저렴하고 폭넓게 핵연료를 사용할수 있는 장점이 있다. 캐나다는 경수로와 같이 경제성과 안전성을 개선한 개량형 중수로 4백80MW 급 CANDU3 와 8백MW급 CAMDU 6 NK2 개발을 추진하고 있다. 우리나라 에서는 한국원자력연구소가 캐나다와 공동으로 9백MW급의 CANDU 9를 개발 중에 있다.

원자로가 감속재(물) 속에 잠기는 모습

◆ 고온가스 냉각로

이 노형은 냉각재로 헬륨가스, 감속재로는 흑연을 쓰며, 핵연료는 여러 겹의 세라믹으로 둘러싸여 있다. 따라서 안전성이 높고 고온을 유지하기 때문에 열효율이 높은 특징이 있다. 이러한 특징으로 인해 수요지 근처에 위치할 수 있어 송배전에 따르는 부가비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 원자로와 격납용기가 크기 때문에 건설 비용이 높고 따라서 경제성 확보가 선결과제다.

고온 가스냉각로는 1964년 OECD사업 일환으로 건설된 드래곤 실험로의 등장 이래 실용화 연구가 꾸준히 이루어지고 있으며, 미국은 DOE 주도로 4백50MWt 모듈형 고온가스냉각로와 가스터빈을 결합한 발전시스템을 2010년에 실용화한다는 목표를 갖고 있다.

◆ 연료 중식하는 액체 금속로

액체금속로는 연료를 자체 증식하는 특성때문에 1960년대에 활발하게 연구개발되어 상당한 운전 경험이 축적돼 있다. 사용되는 연료로서는 지금까지 주로 우라늄과 플루토늄이 혼합된 혼합산화물 (MOX) 연료가 개발되었다. 이러한 노형으로는 미국의 EBR-Ⅱ FFTF, 프랑스 페닉스사의 슈퍼피닉스-1. 영국의 PFR, 일본의 몬주, 그리고 옛소련의 BN-350과 BN-600이 있다. 유럽국가는 EFR의 공동개발을 추진하고 있다. 그리고 이와는 달리 금속 연료를 사용하는 증식로도 개발되고 있는데 GE를 중심으로 개발중인 PRISM 이 그것이다.

액체금속로는 자원고갈에 대비하고자하는 개발취지에도 불구하고 많은 선진국들이 경제성과 핵확산의 우려로 개발을 지연 또는 포기하고 있다. 그래서 최근 미국에서는 핵확산의 우려가 없는 일체형고속로(Integral Fast Reactor, IFR)를 개발하고 있다.

◆ 비전력용 원자로

원자로는 사용목적으로 보아 전력용 지역난방용 열병합용 선박용 기타 특수 목적의 원자로 등으로 분류할 수 있다. 앞에서 설명한 원자로들은 모두 전력 생산용이다. 이외에 지역난방용 열병합용 선박용 원자로들은 현재까지는 일반적인 사용이 이루어지지 않고 있다. 그러나 전력생산용의 원자로에 비해 소형이어서 원자력발전소에 비해 적은 투자로 실용화가 가능하므로 미래에는 보다 많은 개발이 이루어 질 전망이다.

우리나라에서는 선박용 원자로의 경우 이 분야에 앞서 있는 일본의 원자력연구소와, 지역난방로의 경우 실증단계에 들어간 중국의 INET 등과 국제공동연구를 통하여 기반기술을 습득하여 2008년까지 소형 원형동력로를 건조하여 경제성과 기술성을 실증할 계획을 가지고 있다.

◆ 핵융합로

우리나라의 핵융합 관련 기술수준은 현재 플라스마 발생장치의 최소단위인 주반경 30㎝급의 소형 토카막을 자력으로 건조하고 운영하는 단계에까지 와 있다. 또한 미러(mirror) 장치인 TARA 장비가 외국에서 도입되어 플라스마 연구에 기여하고 있다.

선진국간의 핵융합 기술수준은 대형 토카막 장치를 이용하여 1억도가 넘는 플라스마를 수초간 연속 유지시키는데까지 성공하였다. 이제 핵융합 현상의 물리적 가능성을 보여 주었고 향후 초대형 토카막의 설계건조를 위해 미국 일본 EC 러시아 4개국은 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)개발계획을 구상하고 있다. 어느 한 강대국도 ITER를 독자적으로 지원할 만한 여유가 없어 국제공동연구형태로 추진하고 있는 것이다.

우리나라도 2001년까지 반지름 1.2m급의 중형토카막을 국내에 건조하고 이를 운영함으로써 국제공동연구인 ITER사업에 참여할 계획을 갖고 있다.

핵융합로는 미래의 원자로임에는 틀림없으나 아직까지 해결되지 않는 문제점이 상당 수 있다. 사진은 핵융합반응을 위한 토카막 장치

PET등 의학적 활용 두드러져

방사선 및 방사성동위원소 이용분야는 에너지 이용분야와 함께 원자력의 한 분야이나 이제까지 국내에서는 인력이나 재원, 기술개발 측면에서 소외시되어 온 경향이 있었다. 그러나 현재 8백여 기관에서 방사성 및 방사성동위원소를 이용하고 있는 만큼 이 분야의 기술개발은 확대되어야 한다.

방사성동위원소(RI)의 개발 생산에 있어서 미국의 러시아 캐나다 영국 등은 이미 대형 연구로를 이용하여, 중성자 조사에 의한 높은 효율의 방사능 RI 생산기술을 개발하여 세계 시장을 상대로 상용생산하고 있다. 캐나다는 특이하게 산업용 Co-60 세계시장의 80% 이상을 점유하고 있다.

우리나라는 소형연구로를 이용하여 생산할 수 있는 RI는 대부분 개발하여 생산하고 있으므로 기초 기반기술은 확보한 상태라고 말할 수 있다. 이미 30년의 생산공급 역사가 있으며 제한된 시설과 인력규모를 고려할 때 원자로의 가동시간이나 이를 이용한 생산공급량에서 아·태 지역 국가들 중 일본을 제외하고는 우리나라가 으뜸이라고 할 수 있다.

국내에서 방사성동위원소를 이용하는 의료 기관수는 방사성동위원소 사용량의 증가와 함께 급격히 증가하여 1992년 12월 현재 1백6개에 달한다. 이 중 핵의학 영상진단검사를 시행하는 기관은 73개소, 방사면역측정법 등 체외검사를 시행하는 곳이 66개소다.

미국 유럽 일본에서는 인체에서 세포와 분자의 대사상태를 직접 영상화할수 있는 PET(Positron Emission Tomography)를 이용한 연구 및 진료가 활발히 진행되고 있다. 국내에는 1984년 원자력병원에 사이클로트론은 설치되었으나 불행히도 PET시스템은 아직 한대도 설치되어 있지 않다. 그러나 1994년 초 서울대학교병원에 PET설치가 확정되었으며 그 외에 2~3개 종합병원에서 PET 설치를 검토 중에 있다. PET가 도입되면 이를 계기로 우리나나의 핵의학이 국제핵의학을 선도할 수 있는 수준에 도달할 것이다.

비파괴 검사에 필수품

우리나라 공업계에서의 RI/방사선 이용은 빠른 속도로 이용이 확산됐다. 현재 RI/방사선이용 총 기관수 8백40개 중 5백20여개가 공업적으로 방사선을 이용한다. RI/방사선의 공업적 이용에는 비파괴검사, RI게이지, 방사성추적자, 방사선 멸균, 가속기를 이용한 방사선가공 등이 있다.

방사성동위원소나 방사선에 의한 비파괴검사는 철강 기계 조선 항공 정밀기계 등의 구조물에 적용되고 있다. 용접부위의 건전성 평가나 결함탐지 및 생산공정에서의 불량품검사 등에 이용된다.

RI게이지는 두께계 준위계 밀도계 수분계 유황계 등 여러가지가 있으며, 전국적으로 1천여대에 이른다. 일반적으로 여러가지 형식이 있으며 β선원과 γ선원, 중성자 발생원 등이 두루 쓰인다. 최근 선진국에서는 Cf-252를 중성자원으로 하고 Cs-137을 γ선원으로 한 토양수분 밀도계를 개발 실용화하였고 보론(Boron)추적자와 중성자 수분계를 조합하여 지하 유량유속계도 개발하였다. 그러나 불행하게도 현재 우리나라에는 아직 RI 게이지류의 개발생산업체는 없다.

방사성 추적자의 산업적 이용은 미량의 단반감기 RI들을 방사성 추적자로 사용하여 파일럿 시설이나 생산공장에서 원료혼합도와 체재시간 분포측정, 유량 ·유속 측정, 마모·부식 측정, 배관누설 측정, 분리탑 내부조사 등을 수행하고 있다. 최근에는 산업구조물에 대한 단층촬영 기술을 개발하고 있다.

방사선 멸균은 무가열 멸균법이며 완전포장한 상태에서 멸균되므로 재래식 가열멸균법이나 가스멸균법에 비해 뚜렷한 장점이 있다. 북미주 등 선진외국에서는 전체의료용품의 30% 이상, 1회용 의료용품의 90% 이상을 각각 방사선 멸균법으로 멸균하고 있다. 앞으로 방사선 멸균법은 인공장기의 개발, 악성병원균 만연방지를 위한 의료용품의 위생적 유통강화 등을 고려할 때 급속도로 보급될 것으로 전망된다.

선진국에서 가속기를 이용하는 대표적 기술은 가교전선 제조, 발포폴리에틸렌 제조, 고무타이어 제조, 도막의 경화, 자기테이프 제조 등이며 상당한 수준으로 기술개발이 이루어져 많은 부분이 산업화되었다. 최근 전자 가속기를 이용한 배연처리 기술과 γ선 조사에 의한 하수 슬러지 처리기술이 각각 실용화 직전 단계에까지 개발돼 유망시 되고 있다. 우리나라에서도 이 기술에 대한 소화가 시급한 상황이다.

(그림) 방사선 및 방사성 동위원소의 이용

돌연변이 육종에도

농업분야에서도 RI방사선은 활발히 이용되고 있다.

유전공학연구의 성과로서는 작물의 유용유전자 분리증식기술, 살충, 살균성 유전자개발, 살충성 및 바이러스 내성 담배개발 등을 들 수 있다. 이 연구성과로 인해 유전공학 기초기술의 정착단계를 앞당기게 되었다. 우리나라에서 돌연변이 육종은 1960년대 후반부터 연구가 시작되어 많은 성과를 거두었다. 예를 들어 보리의 방사 6호는 방주보리에 열성 중성자를 조사하여 유기된 돌연변이 계통들에서 선발 육성되었으며 송학보리(이리 4호)와 긴쌀보리(이리 11호)는 방사 6호를 이용한 교잡육종에 의해서 육성된 것이며, 안산깨(수원 55호)는 90일 참깨를 γ선 조사하여 육성한 품종이다.

토양의 질을 높이기 위해서도 방사선/RI가 사용되어 주로 3대 비료요소 중에서도 작물의 생산력을 크게 좌우하는 질소에 대한 연구가 많이 수행되어 왔다. 이 외에도 냉해를 대한 저항성을 갖게 하기 위한 방법, 작물의 광합성 과정에 대한 연구 등도 활발히 수행되고 있다.