산업통상자원부는 지난 1월 제2차 에너지기본계획을 발표하며 2035년까지 원자력 발전이 전력 수급에서 차지하는 비중 목표를 29%로 확정 지었다. 이는 2035년까지 현재 가동되고 있는 원자력 발전소(원전)의 상당수가 설계 수명을 채워 폐기돼야 한다는 점을 고려할 때, 계속해서 증가하는 추세인 전력 수요 전망을 충족시키기 위해 수십 기의 원전이 증설돼야 함을 의미한다.

그러나 후쿠시마 원전사고로 원전의 안전성에 근본적인 의문이 제기된 상황에서 오히려 원전의 수를 늘리는 정책에 대한 비판의 목소리가 커지고 있다. 또 최근에 세월호 참사가 국가 안전시스템을 재점검하는 계기가 되면서 고리1호기 등 노후 원전의 수명 연장에 대한 우려도 늘어나고 있다. 다만 원전이 수급하는 전력을 쉽게 무시할 수 없기에, 원자력 발전에 대한 장기적인 계획을 수립하려면 먼저 원자력이 지속 가능한 에너지가 될 수 있을지에 대한 포괄적인 탐구가 필요하다. 이는 안전성 논란에 국한되지 않고 방사성폐기물 문제나 원전의 대체 가능성 등 원자력 발전을 둘러싼 다양한 논점들을 살펴봄으로써 이뤄질 수 있을 것이다.

신화는 없다 - 문제는 냉각이야, 바보야!

후쿠시마 사고 이후 각국 원자력 발전 정책의 초점은 안전성에 맞춰져 왔다. 이는 사고규모로 인한 충격과도 관련이 있지만, 근본적으로는 후쿠시마 원전사고가 원전사고의 전형적인 과정을 따랐기에 다른 원전에도 같은 위험 상황이 발생할 수 있다는 데서 기인한다.
원전사고의 전형적인 과정이란 ‘핵연료의 냉각 실패-노심 용융-수소 폭발’로 이어지는 과정을 의미한다. 후쿠시마 원전사고의 시작은 지진으로 인한 전력 차단이었다. 전력 차단으로 냉각기능이 상실되자 과열된 핵연료(노심)가 녹아내렸고(용융) 이 과정에서 발생한 수소가 폭발하며 원자로를 둘러싼 격납용기를 파손해 방사성 물질이 누출됐다. 이 과정은 손꼽히는 대형 원전사고로 기록된 스리마일 섬 원전사고(1979)나 체르노빌 원전사고(1986)에서도 볼 수 있었다.

원전사고가 이러한 과정을 거쳐 발생하는 이유는 원자력 발전의 기본원리와 연관이 깊다. 원자력 발전은 연료인 우라늄의 핵분열로 생성된 중성자가 다시 다른 우라늄의 핵분열을 일으키도록 하는 연쇄작용을 그 기본원리로 한다. 그런데 이런 연쇄작용을 제어하지 않는다면 핵연료는 점점 높은 열에너지를 발산하며 녹아내리게 된다. 녹아내린 연료봉이 바닥을 녹여 원자로를 뚫고 나가 방사성 물질이 누출되는 것도 큰 문제지만 또 연료봉을 둘러싼 지르코늄 피복이 같이 녹아 발생한 수소가 산소와 반응하면 폭발하게 된다. 따라서 어떤 원전이라도 핵연료의 과열을 막는 냉각기능이 필요하며 이를 상실하는 경우 바로 사고로 이어진다. 결국 이 냉각기능이 원전 안전성의 핵심인데, 이는 지진과 같은 자연재해부터 인적 실수까지 다양한 원인에 의해 상실될 수 있다. 따라서 원전은 그 기본원리상 위험성을 내포한 것이며 ‘절대 안전하다’는 안전신화는 성립될 수 없다.

그럼에도 불구하고 한국의 원전은 후쿠시마의 원전과 다소 다른 구조를 갖기에 안전하다는 주장을 통해 안전신화는 유지돼왔다. 후쿠시마와 한국의 원전은 모두 냉각재로 물을 쓰는 경수로라는 점에서 공통점이 있지만 후쿠시마 원전은 비등경수로이고 한국의 원전 대부분은 가압경수로라는 차이가 있다는 것이다.

그래픽①에서 볼 수 있듯이 비등경수로에서는 연료봉에 맞닿아있는 냉각수가 핵분열이 야기하는 열에 의해 증기로 변해 직접 터빈을 돌린다. 증기는 터빈을 돌려 에너지를 생산한 후 복수기(復水器)에 의해 물로 액화돼 다시 냉각재의 역할을 한다. 다른 한편 가압경수로는 연료봉과 맞닿은 물이 가열되지만 높은 압력이 가해져 기화가 억제된다. 기화되지 않고 가열된 물은 2차 냉각계통의 물을 중탕 가열하는데 이 2차 냉각수가 기화돼 터빈을 돌려 에너지를 생산한다. 2차 냉각수는 역시 복수기에 의해 물로 액화돼 순환한다.

두 원전의 차이는 한국 원전을 안전하게 유지하는 데 어느 정도 도움을 준다. 먼저 가압경수로에서는 핵연료와 맞닿아 있어 높은 수준의 방사성을 띤 1차 냉각수가 증기가 아닌 물의 형태로 남아있어 유사시에 대기로 유출되는 것이 방지된다. 다른 한편 전력 차단 시에 1차 냉각수가 2차 냉각수를 가열·기화시키며 열을 잃기에 냉각기능을 완전히 상실하지 않는다는 장점이 있다. 그러나 이런 보완적인 냉각기능은 전기를 사용한 원래의 냉각기능에 비할 바는 못 되기 때문에 핵연료의 온도상승을 일시적으로 지연시킬 뿐이다. 박진희 교수(동국대 다르마칼리지)는 “원전사고의 역사를 살펴보자면 스리마일 원전사고도 가압경수로에서 난 것”이라며 “가압경수로가 비등경수로보다 절대적으로 안전하다 볼 수 없다”고 밝혔다.

다행히 후쿠시마 원전사고 이후 내진설계를 강화하고 수소폭발을 막기 위해 무동력 수소제거장치가 설치하는 등의 후속조치를 통해 원전의 안전성을 확보하려는 노력이 있었다. 그러나 이런 노력을 통해 원전의 근본적인 위험이 사라지는 것은 아니다. 커다란 원전사고가 있을 때마다 취약점을 보완하여 원전의 안전은 증대되어왔지만, 그 뒤를 이어 나타나는 다른 대형 사고는 안전신화를 여지없이 깨뜨려버렸다.

A/S: 몇 년이나 쓰셨길래 저절로 꺼지나요?
원전은 처음 만들어질 때 설계수명을 가진다. 설계수명이란 원전을 설계할 때 안전성과 성능기준을 만족하면서 운전이 가능한 기간을 의미한다. 현재 한국에서는 1978년 발전을 시작한 고리 1호기가 2007년에 폐로(廢爐) 조치될 예정이었으나 주요설비를 교체한 후 10년간 연장 운영을 승인받았다. 또 월성 1호기도 2012년 설계수명을 다했지만 연장 운영을 위해 테스트를 받고 있다.

상업 원전에 대한 폐로 조치 경험이 없는 한국에 있어 원전의 노후화 문제는 상대적으로 소홀히 다뤄져 왔다. 그러나 계획된 수명보다 더 연장 운영되던 후쿠시마 1호기가 원전사고 당시 가장 먼저 폭발하면서 노후 원전에 대한 경각심이 높아졌다. 이후 수명이 연장된 고리 1호기의 계속된 고장과 정지는 이런 우려의 목소리를 심화시켰다. 고리 1호기는 지금까지 130차례의 고장과 정지 사태를 겪어왔다. 수명 연장 이후 지난해 있었던 고장으로 170일간 정비기간을 거친 뒤 재가동했음에도 50일 만에 고장 나 다시 정지하는 등 원자로 가동에 대한 신뢰성을 잃어가고 있다.

기본적으로 설계수명의 연장은 기존에 폐로 조치하기했던 시한을 연장한다는 점에서 설계자가 세운 안전 원칙을 스스로 져버리는 것으로 받아들일 수 있다. 이에 대해 한국수력원자력은 노후 원전의 부품 대부분을 교체했기에 연장 운영되고 있는 원전은 거의 새 원전이나 다름없다고 주장한다. 그러나 환경운동연합 에너지기획팀 양이원영 처장은 “총 1,700km에 달하는 케이블과 열교환기 수백 개 등을 전부 교체할 수는 없다”며 이러한 의견을 반박했다.

그럼에도 한국수력원자력(한수원)은 원전의 수명 연장을 옹호하는 이유에 대해 홈페이지의 보도자료에서 “원전의 설계수명은 (중략) 충분한 안전 여유도를 함께 계산한 값으로 실제 수명과는 차이가 있다”고 밝히고 있다. 그러나 안전 여유도의 기본개념이 사고발생단계의 위험에 도달하지 않도록 그 이전에 경고지점을 만드는 것이라는 점에서 원전의 수명 연장은 이를 넘어선다는 것을 의미한다. 양이원영 처장은 “이는 사고를 일으키는 직접적인 원인이 아니더라도 비상상황이 닥쳤을 때 오래 버티지 못한다는 것을 의미한다”고 말했다. 비유하자면 빈 공간이 없는 컵에는 조금만 물을 부어도 넘치게 된다는 것이다.

다른 한편 안전의식의 부재가 바로 빈 공간이 없는 컵을 넘치게 하는 소량의 물로 작용하기도 한다. 사소한 실수로도 돌이킬 수 없는 피해를 가져올 수 있는 원전사고의 특성상 이는 무시할 수 없는 것이다. 2012년 2월 9일에는 고리 1호기에서 계획예방정비를 시행하던 중 전원이 상실됐는데 이런 사태를 대비한 비상 발전기마저 작동하지 않아 11분 43초간 냉각기능이 정지됐다. 당시 냉각기능의 상실은 노심온도를 상승시켰고 결국 이 사고는 짧은 시간에 복구됐음에도 불구하고 원전사고등급으로 2등급을 받았다. 다행히 사고 당시 고리 1호기는 정비를 위해 가동되지 않고 있었지만, 이 사고는 비상 발전기가 고장으로 인해 바로 작동하지 않았다는 점에서 전원 상실-냉각 실패로 이어지는 대형 원전사고의 패턴이 그대로 나타났다.

그러나 더욱 놀라운 사실은 사고가 벌어진 후 한수원이 아무런 보고도 없이 사고를 한 달간 은폐했고, 심지어 은폐 중에 비상 발전기의 고장을 여전히 방치한 상태로 핵연료를 인출하기도 했다는 것이다. 사용 후 핵연료는 잔열이 남아있어 노심과 마찬가지로 냉각기능이 필수적인데 비상발전기도 없이 인출작업을 시행했다는 것은 전원이 차단되는 만약의 경우 대형원전사고를 감수하겠다는 것과 다를 바가 없다. 이와 같은 안전의식 부재는 원전의 근본적 위험을 감수하기 위한 여러 안전장치를 무색하게 만들고 원전사고가 현실화될 수 있다는 것을 보여줬다.

이렇게 끊이지 않는 사고와 이에 따른 폐쇄 요구에도 불구하고 노후 원전의 수명을 연장하는 이유는 물론 경제적 측면 때문이다. 산업통상자원부에서 고시한 원전의 폐쇄비용은 대략 6천억 원이다. 이에 더해 1999년부터 6년 동안 건설된 한울 5, 6호기의 건설비용이 4조 4,700억 원에 다다른다는 점을 참조하면 노후 원전을 대체하는 비용은 5조원에 육박한다. 하지만 이는 원전사고가 발생했을 경우의 엄청난 처리비용에 견줄 수는 없을 것이다. 녹색연합 윤기돈 사무처장은 “노후 원전의 수명 연장은 원전의 운영에서 얻는 이윤을 기준으로 한 것”이라며 “이윤이 아닌 안전성을 기준으로 폐로를 결정해야 한다”고 말했다.

방사성 ‘폐기물’은 어디에 버릴까?

그럼에도 원전의 폐로 조치의 비용은 만만히 볼 수 없는데 이는 기존의 원전이 하나의 거대한 방사성 폐기물로 변하기 때문이다. 방사성 폐기물은 더는 연료로 쓸 수 없는 사용 후 핵연료나 원자력 발전의 과정에서 방사선에 오염된 각종 쓰레기로 여전히 강한 방사선을 내뿜기 때문에 사회로부터 격리돼 안전하게 보관돼야 한다. 원전을 폐기할 때는 사용 중이던 핵연료는 물론이고 임시로 저장해오던 사용 후 핵연료, 이와 맞닿아있던 1차 냉각수, 원자로 용기와 냉각수가 흐르던 배관 등 높은 수준의 방사성 폐기물들이 쏟아지게 된다. 아직 사용 후 핵연료 같은 고방사성 폐기물을 영구히 보관할 수 있는 처분장이 없는 한국에서 원전의 폐로 처리는 방사성 폐기물 처분 문제를 해결하는 것을 더 미루지 못하게 만드는 계기인 것이다.

방사성 폐기물은 그 위험성에 따라 관리가 까다롭고 비용이 많이 들기에 원전에 대한 우려를 심화하는 중요한 요소다. 방사성 폐기물은 그것이 내뿜는 방사선의 양에 따라 고준위 방사성 폐기물(고준위 폐기물)과 중저준위 방사성 폐기물(중저준위 폐기물)로 분류될 수 있는데, 고준위 폐기물은 흔히 사용 후 핵연료를 의미하며 1차 냉각수와 같은 고농도 오염수가 포함된다. 중저준위 폐기물은 원전이나 병원, 연구소에서 나오는 작업복, 기계부품, 종이, 저농도 오염수 등으로 구성된다. 중저준위 폐기물은 상대적으로 방사선을 감소시키기 위한 관리 기간이 짧아 현재에도 세계 곳곳에서 중저준위 방사성폐기물처분장이 운영되고 있다. 그러나 사용 후 핵연료를 비롯한 고준위 폐기물은 아직 세계 어느 곳에서도 이를 거의 영구적으로 보관할 수 있는 처분장을 마련하지 못한 상태다. 강한 방사성을 띤 고준위 폐기물을 수만 년 동안 안전하게 보관하기 위해선 세심한 부지 선정과 뛰어난 기술이 필요하기 때문이다.

아직 고준위 폐기물을 처분할 수 있는 장소가 없다면 지금까지 배출된 사용 후 핵연료는 어디에 있는 것일까? 원전부지 내에 있는 저장 수조가 그 답이라 할 수 있다. 사용 후 핵연료는 핵분열 반응이 중단된 이후에도 여전히 높은 방사선량과 발열량을 가진다. 이는 사용 후 핵연료의 처분에 상당한 어려움을 주기 때문에 이를 냉각하기 위한 중간과정이 필요하다. 그런데 사용 후 핵연료의 발열량은 한 달 안에 최대 발열량의 0.1% 이내로 감소하기 때문에 실제 중간 저장이 필요한 기간은 짧다고 볼 수 있다. 그럼에도 이를 운반해 저장할 수 있는 영구 처분장이 없는 상황에서 원전 내 중간저장시설은 일종의 영구처분장처럼 여겨졌고 고준위 방사성 폐기물의 영구처분 문제에 대한 논의는 기약 없이 뒤로 미뤄져 왔다.

그러나 최근 한국 원전의 저장 시설은 포화상태를 눈앞에 두고 있다. 그래픽②는 각 원전이 저장 수조에 보관 중인 사용 후 핵연료의 양이 총 저장용량에 가까워진 모습을 보여주고 있다. 이를 해결하기 위해 별도의 새로운 중간저장시설을 건설하거나 영구처분장에 대한 대책을 마련해야 하지만 전자는 임시방편일 뿐이고 후자는 장기간의 탐색과 검증이 필요해 당장 시작해야 하지만 아직 공론화조차 되지 못하고 있다.

재처리와 고속증식로, 원자력 발전의 희망일까?

방사성 폐기물 관리방안과 관련해 해결책으로 제시되는 방법 중 하나가 재처리다. 재처리는 사용 후 핵연료를 화학적으로 처리해 약 0.9%의 플루토늄과 95.6%의 우라늄을 다시 사용할 수 있도록 분리하는 것을 의미한다. 재처리를 통해 분리된 우라늄은 다시 농축할 수 있고 플루토늄은 우라늄과 섞어 핵연료로 이용할 수 있다. 핵연료의 재처리를 주장하는 사람들은 재처리를 통해 핵연료가 절약되는 효과를 얻을 수 있고 방사성폐기물의 양도 줄어든다고 말한다.

그러나 재처리의 장점은 다소 과장된 측면이 있다. 재처리된 사용 후 핵연료의 우라늄은 느리게 핵분열이 진행되는 방사성 물질을 포함하는데, 이를 다루는 것이 힘들어서 농축의 비율이 다소 낮더라도 천연 우라늄을 쓰는 것이 훨씬 경제적이다. 이 경우 사용 후 핵연료의 95%가 우라늄이라는 점에서 재처리가 줄이는 방사성 폐기물의 양은 그리 많지 않게 된다. 따라서 현재 재처리의 주목적은 우라늄의 재활용이 아닌 플루토늄의 재활용이다.

플루토늄은 그것이 분열될 때 주변의 ‘농축되지 않은’ 우라늄을 같은 플루토늄으로 바꾼다. 이 과정을 통해 원료인 플루토늄이 증식되면서 우라늄을 제거하는 효과가 있기 때문에 이 과정을 이용한 원자로를 증식로라고 한다. 또 그 과정을 일으키는 중성자의 속도가 빠르다는 점에서 고속로라고도 한다. 그러나 플루토늄을 이용한 발전의 냉각재인 ‘소듐’이라는 물질은 산소에 닿으면 화재를 일으키고 물과 닿으면 격렬하게 폭발한다. 즉 소듐고속증식로는 냉각재가 조금이라도 누출되면 화재가 일어나며 사고가 발생했을 때 냉각을 위해 물을 뿌리는 것도 불가능하다. 후쿠시마 원전사고에서 해수를 투입해 비상 냉각을 시행했던 것을 고려하면 물을 사용할 수 없다는 사실은 큰 위험을 감수한다는 것을 알 수 있다. 양이원영 처장은 “고속로는 위험하고 경제성도 없어 아직 제대로 성공한 나라가 없고 프랑스와 일본도 공식적으로 포기했다”고 전했다.

이처럼 재처리와 고속증식로도 방사성 폐기물 문제를 해결할 수 없다. 이에 따라 원전이 계속 운영될수록 원전의 위험성은 그것이 생산하는 방사성 폐기물을 통해 확장되고 있다. 이런 상황에서 원전 중심 정책을 지속해야 하는 이유가 무엇일까? 2차 에너지기본계획에 따르면 앞으로도 한국에 위치한 원전은 점점 늘어날 예정이다. 3대 원전사고라 불리는 스리마일, 체르노빌, 후쿠시마 원전사고는 각각 원전의 개수가 세계에서 1위, 3위, 4위를 차지하는 국가에서 일어났다. 한국은 5위를 차지하고 있다.