[스프] 2070년 '꼬마 원자로'의 시대가 온다

<예언자들>은 각 분야에서 연구 중인 KAIST 교수들이 특정 시점을 전제로 미래를 예측해 쓰는 가상의 에세이입니다. 그저 공상 수준이 아니라 현재 연구 성과와 미래의 실현 가능성을 정교하게 조율하기에, <예언자들>은 스프 구독자들에게 짧게는 10년, 길게는 50년 이상 과학이 내다보는 미래를 미리 살펴볼 수 있게 할 것입니다.
"독도는 우리 땅" 가사도 바뀌었다? Yes!

우리가 즐겨 부르는 노래 "독도는 우리 땅" 가사에서 강수량과 평균기온이 바뀌었다. 1982년 노래가 처음 만들어질 당시에는 "평균기온 12도, 강수량은 1300(mm)"이었다. 30년의 시간이 흘러 2012년 가사가 공식적으로 바뀔 때에는 평균기온 13도, 강수량은 1800(mm)이 되었다. 1도 온도가 상승하고, 500mm 강수량이 늘었다. 기후변화다.

기후변화는 생태계 변화도 가져왔다. "오징어, 꼴뚜기, 대구, 명태, 거북이" 패밀리에서 명태와 거북이가 떠나고 홍합과 따개비가 그 자리를 채웠다.

기후변화를 위기로 가지 못하게 막기 위해 이산화탄소 배출이 없는 원자력의 이용이 늘어나고 있고, 우리가 보지 못한 완전히 새로운 원자로가 오고 있다. 승용차를 타고 와서 전철과 전기버스로 환승할 수 있는 환승센터의 주차빌딩 지하에 원자로가 있다. 고객들이 타고 온 전기차를 충전하는 원자로다. 사람들은 30년간 주차빌딩 지하에 원자로가 있다는 것은 이야기를 들어 알고 있었지만 연료 교체가 30년 동안 없었고, 운전도 자율로 되다 보니 아무도 원자로의 존재를 제대로 알지 못했다. 원자로의 전기로 충전하는 전기차들은 결국 원자력 자동차인 셈이었다. 올해 30년 운전된 원자로를 새 원자로로 교체한다. 예전 모듈을 그냥 빼가고, 새 모듈을 그 자리에 플러그 꽂듯이 넣는다고 한다.

지금 개발되고 있는 21세기 원자로가 그릴 수 있는 미래 모습이다. 기후변화가 위기로 넘어가지 않도록 화석연료를 대체하는 데 새로운 원자로의 역할이 아주 클 것이다. 그 옛날 언젠가 태양 빛을 받아 만든 막대한 양의 에너지를 축적하고 있던 화석연료 덕에 일어난 산업혁명. 연탄 1장을 태우면 무려 15,000kcal. 인간이 일주일을 소비하는 열량이 달랑 연탄 1장에 들어 있으니 연탄 1장 태워서 일하는 증기기관이 발명되고 나서는 더 이상 풍차로 방아를 찧고, 인력으로 짐을 싣고, 마력으로 짐을 나를 필요가 없어진 것이다. 들어가는 돈도 사람과 말에 들어가는 돈에 비하면 비교가 안 되게 적다.

연탄 1장이 1,700원(보조금이 있어 판매가격은 600원 수준)이데, 이 연탄 1장으로 50kg짜리 물건을 2미터 높이로 들어 올리는 일을 적어도 2만 번은 할 수 있으니 같은 일을 사람이 할 때와 비하면 비교가 안 되게 간단하고 저렴한 것이다. 극강의 에너지 밀도와 싼 가격. 산업혁명은 막아도 막을 수 없는 큰 흐름이 될 수밖에 없었다.

우라늄 핵연료 5g짜리 하나면 연탄 300장의 일을 할 수 있다. 필요한 천연우라늄의 양은 40g 정도에 가격은 약 1만 원 정도면 충분하다. 연탄 300장에 필요한 석탄은 50만 원어치 정도 되므로 석탄이 우라늄에 비해 50배 비싼 것이다. 우라늄은 석탄 대비 1/50의 경제성을 가지고 있는 것에 더해, 에너지 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는다. 그러면서 24시간 사용이 가능하기 때문에 기후 위기에 대응하기에 가장 적합한 에너지 중에 하나다. 처음 원자력발전소는 크기가 오늘날에 비해 1/10도 안 되게 작았다. 잠수함에 처음 적용된 원자로가 육상에 올라오면서 육지에서의 전력 생산에 본격 이용된 것이었다. 크게 만들 방법이 없어서 작게 시작한 것이었다. 이후 설계와 제작 기술이 발전하면서 경제성을 높이기 위해 크기를 키우면서 오늘날과 같은 1,000MW(메가와트) 이상의 원자로가 만들어졌다.

이제 다시 원자로가 작아지고 있다. 안전성에 있어서 획기적인 전환을 꾀하기 위해서다. 같은 국이라도 큰 그릇에 담아 놓은 것보다 작은 그릇에 나눠 담아 놓은 국이 빠르게 식는 원리와 같다. 원자로가 작아지면 별도의 조치 없이 그냥 둬도 자연스럽게 빠르게 냉각되는 원리를 이용한다. 큰 원자로도 매우 안전하게 냉각하는 방법은 얼마든지 있지만 작은 원자로를 냉각할 때에 비해 그 방식과 규모가 좀 더 복잡하고 클 수밖에 없다. 밀도 차에 의해 중력의 작용으로 순환하는 원리를 이용하는 등 자연력을 그대로 이용한 냉각방식을 사용하기 때문에 별도의 조치나 동력 없이 안전장치가 가동되므로 사고가 발생할 가능성 자체를 실질적으로 배제해버릴 수 있다.

가장 심각하고 피해야 할 사고는 원자로의 심장인 핵연료가 냉각이 적절하게 되지 않아 녹는 것이다. 이런 사고 자체가 정의되지 않는 원자로도 있다. 원자로 자체를 이미 녹인 것으로 우라늄을 함유한 소금을 고온으로 녹여서 원자로를 만들었다. 원자로가 녹는 사고가 일어날 수 없는 원전이다. 이미 정상운전 시에 녹아 있기 때문이다. 이상이 생겨도 녹아서 위험해질 가능성은 전혀 없고(이미 녹아있는 상태로 정상상태라서), 저절로 냉각되어 끓어 넘칠 일은 일어나지 않는다. 작은 원자로는 극강의 안전성을 가지고 있어서 1960년대 원전 설계에서 있었던 사고는 더 이상 사고가 될 수 없다. 안전성에서는 혁신적인 변화를 가져온 것이다.

그러나 비싸다면? 아무도 쓸 수 없을 것이다. 그럼에도 태생적으로 작은 원자로는 큰 원자로보다 비쌀 수밖에 없다.

택시비가 버스비보다 당연히 비싸다. 태우는 승객 수도 택시가 최대 4명이지만, 버스는 40명도 거뜬하다. 기사는 택시도 1명, 버스도 1명. 인건비 싸움에서도 택시는 비쌀 수밖에 없다. 그런데 택시비를 버스비만큼 싸게 만들 방법이 있을까?

택시에 기사가 없다면? 택시 여러 대가 묶여서 운전되기도 하고 따로 운전되기도 한다면? 그렇다면 택시비가 버스비 수준으로 내려올 수 있다.

이런 경제성 원리를 구현하기 위해 소형모듈원전은 떼로 몰려다닌다. 정확히 말하자면 소형의 원전 모듈 여러 개가 하나로 묶여서 운전된다. 1,000MW 원전이 하던 일을 100MW 모듈 10개가 묶여서 하게 된 것이다. 운영 비용은 자율 운전과 군집 운전으로 소형모듈이나 대형이나 비슷한 수준이 된다.

이제 남은 경제성 결정 요소는 1,000MW 한 개 만드는 것이 싸냐, 100 MW 10개를 만드는 것이 싸냐는 것이다. 대개의 경우 100 MW 10개 만드는 것이 비싸다. 그러나 1,000MW 10개와 100 MW 100개를 비교한다면 그 격차는 줄어든다. 같은 설계를 대량 생산할 때 학습효과가 10개보다 100개가 더 강력하기 때문이다. 거기에다 1,000MW는 현장에서 건설하는 원자로인데, 100MW 원전은 공장에서 만들어 배달하는 원자로가 된다면 100MW 원전이 1,000MW에 비해 제작비용(건설비용)이 더 저렴할 수 있다. 10MW 혹은 그보다 더 작은놈들도 있다. MMR이 그것이다. 안전성은? 더 말할 것도 없다. 더 간단하게 그냥 내버려 둬도 아무 문제가 발생할 수 없다.

이놈들은 목적이 약간 다르다. 1,000MW 발전소를 대체하기에는 경제성과 안전성 측면에서 100MW 10개로 나누는 것 정도로 충분하다. 굳이 10MW 정도로 작게 만드는 것은 바로 작은 규모의 사용처를 위한 것이다.

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