원자력 발전소

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1. 개요
2. 역사
3. 원자력 발전의 원리와 구성 요소
4. 원자력 발전의 종류
5. 원자력 발전의 안전성 및 규제
6. 대한민국의 원자력 발전
7. 세계의 원자력 발전 현황
- 7.1. 주요 국가 현황
- 7.2. 국제 협력
8. 원자력 발전의 경제성
- 8.1. 비용 구성
- 8.2. 경제성 평가
9. 원자력 발전의 논란
10. 원자력 발전의 환경적 영향
11. 군사적 이용 및 핵테러
참조

1. 개요

원자력 발전소는 핵분열을 통해 열을 발생시켜 전기를 생산하는 시설이다. 19세기 원자 모형과 핵분열 발견 이후 기술 개발이 시작되어, 1950년대에 세계 최초의 상업용 원자력 발전소가 가동되었다. 원자력 발전은 전 세계 전력 공급의 약 15%를 담당하며, 2011년 후쿠시마 사고 이후 탈원전 움직임이 있었으나, 미국, 프랑스, 중국 등을 중심으로 신규 원전 건설 경쟁이 지속되고 있다.

원자력 발전소는 원자로, 증기 터빈, 발전기 등 주요 구성 요소로 이루어져 있으며, 가압경수형과 비등수형 원자로가 주로 사용된다. 전력 변환은 핵분열로 발생한 열을 이용해 증기를 만들고, 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식으로 이루어진다.

원자력 발전은 온실가스 배출이 적고, 발전량과 효율성이 높다는 장점이 있지만, 방사성 폐기물 처리, 원전 사고 위험, 핵무기 전용 가능성 등의 문제로 논란이 있다. 안전성 확보를 위해 다중 방어, 독립성, 고장 안전성 등의 기술이 적용되며, 국제원자력기구(IAEA)의 안전 기준에 따라 주기적 안전성 평가가 이루어진다.

원자력 발전은 경제성 측면에서 초기 자본 비용은 높지만, 연료비가 낮고, 탄소 배출 규제 강화로 인해 경쟁력이 높아지고 있다. 원자력 발전소의 수명은 운영 허가 기간과 설계 수명 기간으로 구분되며, 안전성 평가를 통해 계속 운전이 가능하기도 하다.

대한민국은 1978년 고리 1호기 상업 운전을 시작으로 원자력 발전을 시작했으며, 현재 20여기 이상의 원자로를 운영하고 있다. 세계적으로는 미국, 프랑스, 러시아, 중국 등이 원자력 발전 기술을 선도하고 있으며, 각국은 자국의 기술을 바탕으로 원자력 발전소 건설 및 수출 경쟁을 벌이고 있다.

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원자력 발전소
지도
기본 정보
유형	열에너지 발전소
열원	원자로
기술
발전 방식	증기 터빈을 사용하여 열에너지를 전기로 변환
냉각 방식	냉각탑 또는 강, 호수, 바다와 같은 자연수역을 이용
연료	우라늄 또는 플루토늄과 같은 핵연료 사용
발전 효율
효율성	일반적으로 30~40% 효율을 보임 일부 최신 원자력 발전소는 더 높은 효율을 달성
환경 영향
온실가스 배출량	건설 및 운영 과정에서 소량의 온실가스 배출 다른 화석 연료 발전소에 비해 탄소 배출량이 매우 적음 전체 수명 주기를 고려할 때 온실가스 배출량은 약 12g CO2eq/kWh
기타 환경 영향	사용후 핵연료 처리 및 저장 문제 핵사고 발생 가능성
안전성
안전 장치	다양한 안전 시스템과 다중 방호벽을 갖추고 있음 사고 발생 시 비상 냉각 시스템 및 격납 건물 사용
사고 사례	체르노빌 원자력 발전소 사고 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고
경제성
초기 건설 비용	초기 건설 비용이 매우 높음 수십억 달러 규모의 자본 투자 필요
운영 비용	상대적으로 낮은 연료 비용 높은 유지 보수 및 안전 관련 비용 발생
발전 단가	발전 단가는 다양한 요인에 따라 변동 초기 투자 비용 회수에 상당한 시간 소요
기타
장점	높은 발전량과 안정적인 전력 공급 낮은 탄소 배출량으로 기후 변화 대응에 기여
단점	높은 초기 건설 비용 핵폐기물 처리 및 핵사고 위험

2. 역사

19세기부터 원소 주기율표와 원자 모형 이론이 발전하면서 물질 구조에 대한 과학적 지식이 쌓였다. 핵분열 전후 원자핵 무게 차이, 즉 결손된 질량만큼 에너지가 발생한다는 사실이 발견되면서 원자력 기술 개발이 가속화되었다.

2000년대 후반 철강 등 자재비 급등으로 원자력 발전소 건설 비용이 증가하면서(예: 미국에서 150만kW 원자로 건설 비용이 2005년 약 30억달러에서 2008년 약 70억달러로 증가^[91]), 정부 지원 없이는 원자력 발전을 논하기 어려워졌다.^[91]

2016년 11월 기준으로 전 세계에는 448기의 발전로가 가동 중이고, 58기가 건설 중이며, 원자력 발전은 세계 전력 공급량의 약 15%를 차지한다. 신규 원전 건설은 대부분 경수로형이며, 2030년까지 경수로가 주력 원전 역할을 할 것으로 전망된다.

2. 1. 초기 역사

1942년 미국 시카고 대학교의 엔리코 페르미가 실험용 원자로에서 원자력 발전의 원리가 되는 핵분열 연쇄 반응을 성공적으로 수행하였다.^[11] 1948년 9월 미국 테네시주 오크리지에 설치된 X-10 흑연원자로에서 전구의 불을 밝히면서 핵분열 방식을 이용한 전력생산이 시작되었다.

원자로의 열을 이용하여 최초로 전기를 생산한 것은 1951년 12월 21일 실험용 증식로 1호기(Experimental Breeder Reactor I)에서 네 개의 전구에 전력을 공급하면서였다.^[12] EBR-I의 초기 발전 용량은 1kW였다.

1954년 6월 27일, 세계 최초로 전력망에 전기를 공급하는 원자력 발전소인 오브닌스크 원자력 발전소가 소련 오브닌스크에서 가동을 시작했다.^[13]^[14]^[15]

세계 최초의 대규모 원자력 발전소인 칼더홀 원자력 발전소는 1956년 10월 17일 영국에서 개장했으며, 플루토늄 생산도 목적으로 했다.^[16] 이 발전소는 2007년 9월 노후화로 인해 폭파 해체되었다.

전기 생산에만 전적으로 헌신된 세계 최초의 대규모 발전소는 미국 펜실베이니아주의 십핑포트 원자력 발전소였으며, 1957년 12월 18일 전력망에 연결되었다. 십핑포트 발전소는 1982년 10월 1일에 폐쇄되었다.

소련과 미국 외에도 영국, 캐나다, 프랑스, 노르웨이 등에서 원자로가 건설되었다.

1954년 7월, 국제 연합에서 원자력과 관련된 국제 회의인 제1회 제네바 회의가 개최되었다.^[86] 법률 정비(예를 들어 미국의 맥머흔법(정확히는 "1946년 원자력법", 1946년 7월) 및 프라이스-앤더슨법 등) 및 국가 간 협정 체결(소련을 중심으로 한 서방 국가들에 대한 대응 등)도 진행되었다.

미국의 원자로 발주 붐은 1966년부터 1974년까지 9년간 지속되었다.^[87]

2. 2. 원전 사고와 반핵 운동

1979년 3월 28일 스리마일섬 원자력 발전소에서 운전원의 조작 실수로 냉각수 공급이 중단되어 노심용융 사고가 발생했다. 다행히 두꺼운 차폐막과 격납용기가 있었고, 중성자 감속재로 물을 사용했기 때문에 피해를 최소화할 수 있었다. 비상 노심 냉각 장치가 자동으로 작동하여 체르노빌 원자력 발전소 사고보다는 피해가 적었지만, 미국의 원자력 기술에 대한 신뢰도에 큰 타격을 주었다. 이 사고로 미국에서는 원전 신규 계획이 중단되었다.^[87]

1986년 4월 26일 소비에트 연방의 체르노빌 원자력 발전소에서 실험 중 원자로 제어 실패로 노심용융이 발생했다. 체르노빌 원자력 발전소는 RBMK 기종으로, 두꺼운 차폐막과 격납용기가 없었고, 중성자 감속재로 흑연을 사용한 것이 피해를 키웠다. 운전원들이 비상 노심 냉각 장치를 꺼놓은 상태였기 때문에 스리마일섬 사고보다 피해가 훨씬 컸다. 화재 진압에만 14일이 걸렸고, 진압에 참여한 소방대원, 공익근무요원, 군인들이 핵물질에 피폭되어 사망했다. 프리피야트 등 현지 주민 5만여 명은 키예프로 강제 이주되었고, 오염된 지역은 유령마을로 방치되었다.

2011년 3월 11일 일본에서 발생한 동일본 대지진과 쓰나미로 인해 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고가 발생했다. 이 사고로 10만 명 이상의 피난민이 발생했고, 발전소 반경 20km 이내 주민들은 이주해야 했다.

2. 3. 원자력 발전의 부활과 현재

2000년대 이후, 원유 가격 급등과 지구온난화 방지를 위한 대응 필요성이 증대되면서 원자력 발전이 다시 주목받기 시작했다. (^[90]) 이를 "원자력 르네상스"라고 부르기도 한다.

2002년 당시 전 세계적으로 400기가 넘는 원전이 가동 중이었으며, 발전량 상위 5개국은 미국, 프랑스, 일본, 독일, 러시아였다. 발전량에서 원자력 발전이 차지하는 비율은 프랑스 77%, 벨기에 57%, 우크라이나 44%, 대한민국 36%, 일본 33%였다.^[92]

2011년 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고의 영향으로 유럽 여러 국가에서 탈원전 및 재생에너지 전환 분위기가 고조되었지만, 미국, 일본, 프랑스, 중국, 러시아, 한국, 캐나다 등의 원전 제작 업체들은 원전 신규 수주를 위해 경쟁하고 있다.

원자력선(원자력잠수함 포함)은 1950년대부터 실용화되었고, 러시아와 중국은 해상 원자력 발전소를 개발하고 있다. 러시아의 로사톰은 2018년 12월 무르만스크 항구에서 세계 최초의 해상 원전인 아카데믹 로모노소프를 가동했으며, 시베리아 동부 북극권의 페벡으로 이동시킬 계획이다. 중국은 남중국해 영유권 주장 섬들에 대한 전력 공급에 해상 원전을 활용할 것으로 추측된다.^[93]

개발도상국에서는 원자력 발전소 건설 자금 조달을 위해 프로젝트 파이낸싱(PF) 방식이 활용되고 있다. 이는 건설업체가 자금을 제공하고, 향후 발전소에서 발생하는 수입으로 투자금을 회수하는 방식이다.

하토야마 유키오 총리 시절 하토야마 이니셔티브를 통해 원전의 적극적 활용이 검토되었다. 베트남 원자력 발전소 건설에 국제협력은행이 파이낸싱 역할로 참여했으며, 터키 원자력 발전소 건설에도 이 방식이 도입될 예정이다.^[96] 러시아는 원전 건설뿐만 아니라 핵연료 공급, 인재 양성, 방사성폐기물 회수까지 담당하는 강점을 가지고 있다.^[97]

3. 원자력 발전의 원리와 구성 요소

원자력 발전은 핵분열 연쇄 반응을 이용하여 열을 발생시키고, 이 열로 물을 끓여 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다.

원자력 발전소는 크게 원자로 건물과 터빈 건물, 그리고 여러 보조 시설로 구성된다. 가압경수로형 원자력 발전소의 경우, 원자로 격납 건물, 원자로 보조 건물, 터빈 건물 외에도 복합 건물, 수처리 건물, 비상발전기 건물, 취수 건물, 냉각수 보관 탱크 등이 있다.^[17]

원자력 발전소의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

원자로 격납 건물: 원자로를 둘러싸고 있는 두꺼운 철근 콘크리트 건물로, 사고 발생 시 방사성 물질이 외부로 누출되는 것을 막는 역할을 한다.
원자로 용기: 핵연료를 장전하여 핵분열 반응이 일어나도록 하는 탄소강 재질의 압력 용기이다.
증기 발생기: 원자로에서 전달된 열을 이용하여 냉각수를 가열해 증기를 발생시키는 장치이다.
냉각재 펌프: 원자로 냉각재를 순환시키고, 가압기는 계통의 압력을 조절한다.
원자로 보조 건물: 격납 건물 외부에 있으며, 냉각재 계통 운전을 지원하는 보조 시스템들이 배치된다.
냉각탑: 원자로의 열을 식히고 나서 그 냉각수의 열기를 순환시켜 재사용하는 설비다. 대한민국에서는 모든 원전이 해안가에 위치하여 바닷물을 냉각수로 사용하기 때문에 냉각탑은 없다.

원자력 발전소 설계는 안전을 위해 다중성, 다양성, 독립성을 확보하는 것을 목표로 한다. 동일 기능을 수행하는 기기나 계통은 서로 다른 작동 원리를 갖도록 하거나(다양성), 물리적으로 분리하여(독립성) 배치함으로써 다중영향 사건(화재 등) 발생 시 설비가 동시에 기능을 상실할 가능성을 최소화한다. 2개 이상의 기기나 설비가 동시 또는 짧은 시간 내에 고장나거나 기능을 수행하지 못하는 경우를 '공통원인고장'이라고 하며, 이는 주로 부식, 피로, 마모와 같은 기기 내부의 원인, 보수나 시험 중의 인적 실수, 부적절한 설계 및 설계상의 오류, 습기, 온도, 진동 등과 같은 환경적 요인으로 발생한다.

초기 원전 붐과 그 이후의 침체기를 거치면서 세계적인 제조업체의 과점화가 진행되어 21세기 초에는 아레바-三菱, 도시바(WH), GE-히타치의 서구 3개 그룹과 로사톰, 부상하는 중국 제조업체에 집중되는 추세였으나, 2017년 웨스팅하우스와 아레바가 경영 파탄을 맞는 등 현재도 상황은 크게 변화하고 있다.

주요 원자력 발전 설비 제조사는 다음과 같다.

프라마톰(Areva NP)(三菱중공업과 업무 제휴)
三菱중공업
GE히타치 뉴클리어 에너지(히타치제작소와 제너럴 일렉트릭이 원자력 사업에서 경영 통합)
웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니(WH)(2017년 3월 경영 파탄 후 현재 경영 재건 중)
밥콕 앤 윌콕스(원자력 플랜트 제조 자체는 철수하고 엔지니어링에 특화)
로사톰
도시바
중국핵공업집단공사
중국광핵집단
두산중공업

과거의 제조업체는 다음과 같다.

컴버스천 엔지니어링 - 웨스팅하우스에 인수됨
ASEA 브라운 보베리 - 원전 부문은 웨스팅하우스에 인수됨
지멘스 - 프라마톰과 원전 부문을 통합하여 아레바(2018년, 다시 프라마톰으로 개칭)가 됨
구 프라마톰 - 지멘스와 원전 부문을 통합하여 아레바(2018년, 다시 프라마톰으로 개칭)가 됨

3. 1. 기본 원리

원자로는 발전소의 핵심 시설이다. 원자로 노심은 핵분열을 통해 열을 발생시키며, 이 열은 냉각재를 가열하는 데 사용된다. 가열된 냉각재는 증기발생기로 이동하여 물을 끓여 증기를 만든다. 이 증기는 증기터빈을 돌려 발전기를 가동시키고, 이를 통해 전기가 생산된다.

핵분열 연쇄 반응은 다음과 같은 과정을 거친다.

1. 핵분열: 우라늄과 같은 핵연료는 중성자와 충돌하여 분열하면서 열에너지와 함께 추가적인 중성자를 방출한다.

2. 연쇄 반응: 핵분열 과정에서 방출된 중성자는 다른 핵연료와 충돌하여 연쇄적인 핵분열을 일으킨다.

3. 에너지 발생: 핵분열 과정에서 발생한 열에너지는 냉각재를 가열하고, 이 냉각재는 증기 발생기에서 물을 끓여 증기를 생산한다.

원자로는 일반적으로 연쇄 반응을 위한 연료로 우라늄에 의존한다. 천연 우라늄은 핵분열이 어려운 우라늄-238(U-238)이 99.3%를 차지하고, 핵분열성이 좋은 우라늄-235(U-235)가 약 0.7%를 차지한다. U-235는 쉽게 분열되어 많은 에너지를 방출하므로 원자력 발전에 적합하다.

핵분열은 방사능을 생성하므로 원자로 노심은 보호막으로 둘러싸여 있다. 이 격납체는 방사선을 흡수하고 방사성 물질이 환경으로 방출되는 것을 방지한다. 또한 많은 원자로는 내부 사고와 외부 충격으로부터 원자로를 보호하기 위해 콘크리트 돔을 갖추고 있다.^[17]

3. 2. 주요 구성 요소

구 분	설 명
연료 취급
발전
원자로 조립체
안전 시스템
증기 발생

3. 3. 시스템

원자력 발전소는 원자로, 터빈발전기 등 핵심 시설이 있는 대형 구조물과 외부 보조 시설로 구성된다. 가압경수형 원자력 발전소(PWR)는 원자로 격납 건물, 원자로 보조 건물, 터빈 건물, 그리고 복합 건물, 수처리 건물, 비상발전기 건물, 취수 건물, 냉각수 보관 탱크 등으로 구성된다.^[17]

원자로 격납 건물: 두꺼운 철근 콘크리트 건물로, 중앙에 원자로가 있다. 사고 발생 시 방사성 물질의 외부 누출을 막는 최후 방벽 역할을 한다.
원자로 용기: 핵연료를 넣어 핵분열 반응을 일으키는 탄소강 재질의 금속 압력 용기이다.
증기 발생기: 원자로에서 전달된 열로 2차 계통의 냉각수를 가열하여 증기를 발생시킨다.
냉각재 펌프: 원자로 냉각재를 순환시키고, 가압기는 계통의 압력을 유지하고 조절한다.
원자로 보조 건물: 냉각재 계통 운전을 지원하는 보조 계통들이 배치되는 격납 건물 외부 콘크리트 건물이다.
냉각탑: 강이나 호수 옆에 설치되어 냉각수를 재사용하는 설비이다. 대한민국 모든 원전은 해안가에 위치하여 바닷물을 냉각수로 사용하므로 냉각탑이 없다.

원자력 발전소 설계 시 동일 기능을 수행하는 기기나 계통은 서로 다른 작동 원리를 갖도록 하거나, 물리적으로 분리하여 다중영향 사건(화재 등) 발생 시 설비 동시 기능 상실 가능성을 최소화한다. 2개 이상의 기기나 설비가 동시 또는 짧은 시간 내에 고장 나거나 기능하지 못하는 경우를 '공통원인고장'이라고 하며, 이는 부식, 피로, 마모, 인적 실수, 절차서 결함, 설계 오류, 환경 요인 등으로 발생한다.

원자력 발전소 시스템은 다음과 같이 구성된다.

분야	구성 요소
연료 취급	방사성폐기물 처리 시스템, 원자로 재장전층, 사용후핵연료 수조, 온라인 재장전 기계 (일부 설계, 예: RBMK, CANDU)
발전	복수기, 냉각탑, 발전기, 증기터빈
원자로 조립체	제어봉 구동 장치, 계측 장치 (예: 이온 전리함), 제어봉, 냉각재, 중성자 발생기, 감속재, 중성자 독, 핵연료, 원자로 노심, 원자로 압력용기 (대부분), 시동 중성자원
안전 시스템	격납 건물, 비상 노심 냉각계통, 비상 전원 시스템, 필수 서비스 급수 시스템, 원자로 보호계통, 예비 액체 제어 시스템
증기 발생	보일러 급수 펌프, 증기 발생기 (PWR, 압력조절기 포함)

기존 화력 발전소와 같이, 원자로 내부 핵분열로 원자로 냉각재(물, 가스, 액체 금속 등)를 가열하고, 증기발생기에서 물을 가열하여 증기를 생성한다. 이 증기는 다단계 증기터빈을 거쳐 응축기에서 응축된 후 다시 증기 발생기로 펌핑되어 순환한다. (물-증기 사이클은 랭킨 사이클에 해당)

원자로는 핵분열로 열을 발생시키는 노심, 우라늄 연료, 방사능을 막는 보호막, 콘크리트 돔 등으로 구성된다. 천연 우라늄은 U-238(99.3%)과 U-235(0.7%)로 구성되며, U-235는 핵분열성이 뛰어나 원자력에 적합하다.

증기터빈은 증기의 열을 기계적 에너지로 변환하며, 가압경수로(PWR)에서는 원자력 시스템과 분리되어 있다. 비등수형 원자로(BWR)는 방사성 물질이 포함된 물을 증기터빈에 통과시키므로 터빈은 방사선 관리 구역에 속한다.

발전기는 터빈의 기계적 동력을 전력으로 변환하며, 냉각 시스템은 원자로 노심의 열을 제거하여 전기를 생산한다.^[18] 비상시 안전 밸브는 배관 파열, 원자로 폭발을 방지하며, BWR의 경우 증기는 억압실에서 응축된다. 열교환기 챔버는 중간 냉각 회로에 연결된다.

주 응축기는 터빈-발전기 배기구의 습증기를 과냉각 액체수로 응축시켜 응축수 및 급수 펌프에 의해 원자로로 다시 펌핑한다.^[19] 냉각수는 자연수(강, 호수) 또는 처리된 하수(팔로 베르데 원자력 발전소)를 사용하며, 냉각탑을 통해 냉각될 수 있다.^[20] 증기 발생기와 원자로 수위는 급수 시스템으로 제어하며, 안전 운전을 위해 지속적인 전력 공급이 필요하다.

4. 원자력 발전의 종류

현재 상용화된 원자로는 열반응로와 증식로가 있으며, 핵융합로는 개발 중에 있다.

2002년 당시 전 세계적으로 400기가 넘는 원자력 발전소가 가동 중이었으며, 발전량 상위 5개국은 미국, 프랑스, 일본, 독일, 러시아였다. 발전량에서 원자력 발전이 차지하는 비율은 프랑스 77%, 벨기에 57%, 우크라이나 44%, 대한민국 36%, 일본 33%였다.^[92]

2011년 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이후 유럽에서는 탈원전 및 재생 에너지 전환 분위기가 높아졌지만, 미국, 일본, 프랑스, 중국, 러시아, 한국, 캐나다 등은 원전 신규 수주 경쟁을 벌이고 있다.

원자로 제작업체는 다음과 같다.

프라마톰(Areva NP)(三菱중공업과 업무 제휴)
三菱중공업
GE히타치 뉴클리어 에너지(히타치제작소와 제너럴 일렉트릭이 원자력 사업에서 경영 통합)
웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니(WH)(2017년 3월 경영 파탄 후 현재 경영 재건 중)
밥콕 앤 윌콕스(원자력 플랜트 제조 자체는 철수하고 엔지니어링에 특화)
로사톰
도시바
중국핵공업집단공사
중국광핵집단
두산중공업

과거에는 컴버스천 엔지니어링, ASEA 브라운 보베리, 지멘스, 구 프라마톰 등의 제조업체가 있었으나, 인수 합병 등을 통해 현재는 몇몇 주요 업체로 집중되는 추세이다. 특히 2017년 웨스팅하우스와 아레바의 경영 파탄은 원자력 발전 산업에 큰 변화를 가져왔다.

4. 1. 열반응로

중성자가 일으키는 연쇄반응으로 열을 내는 열반응로

4. 2. 증식로

플루토늄을 연료로 사용하는 원자로이다.

4. 3. 핵융합로

삼중수소나 중수소를 연료로 사용하는 핵융합로는 현재 개발 중인 미래형 원자로이다.^[24] 핵융합 및 플라스마 물리학 연구는 괄목할 만한 발전을 이루었으며, 50개국 이상이 이 분야에 기여하고 있다.^[78] 최근 핵융합 실험에서는 최초로 과학적 에너지 증폭을 달성했다.^[78]

세계 최대 규모의 국제 핵융합 시설인 ITER의 조립은 2020년 프랑스에서 시작되어 핵융합 에너지의 실현 가능성을 입증하는 데 중요한 단계를 밟았다.^[78] ITER는 2020년대 후반에 실험을 시작하고 2036년에 전력 실험을 할 예정이며, 전문가들은 2050년까지 DEMO 발전소가 가동될 수 있다고 예상한다.^[78]

동시에 민간 기업들은 수십 년간의 공공 자금 지원 연구를 활용하여 핵융합 기술을 발전시키고 있으며, 이는 21세기 중반 이전에도 상용 핵융합 발전이 현실이 될 수 있음을 시사한다.^[78] ITER 프로젝트에 참여하는 많은 국가들도 자체 핵융합 원자로 및 발전소 모델을 개발하고 있다. 중국에서는 연구원들이 2050년까지 상용 실용 핵융합 발전소를 건설하는 것을 목표로 하는 중국 핵융합 공학 시험 원자로 (CFETR)이라는 새로운 원자로를 개발하고 있다.^[79]

5. 원자력 발전의 안전성 및 규제

원자력 발전소는 방사성 물질을 다루고, 원자로 정지 후에도 붕괴열이 발생하기 때문에 안전이 매우 중요하다. 따라서 원자력 발전소는 다음과 같은 3가지 기본 안전 기능을 갖추고 있다.

원자로 반응도 제어: 핵분열 반응 속도를 조절한다.
핵연료 냉각: 핵연료에서 발생하는 열을 제거한다.
방사성 물질 격납: 방사성 물질이 외부로 누출되지 않도록 막는다.

이러한 안전 기능은 원자로 보호 계통과 공학적 안전 설비를 통해 수행되며, 심층 방어 개념에 따라 여러 단계의 안전 장치가 마련되어 있다.

국제원자력안전그룹(INSAG)은 1999년 보고서에서 원전 안전성 확보를 위한 체계를 제시했다. 여기에는 3가지 안전 목표, 3가지 안전 관리 원칙, 3가지 심층 방어 원칙, 그리고 9가지 기술적 원칙이 포함된다.^[110]^[111]

원자력 발전소는 설계 시 다중영향 사건(화재 등) 발생 시 설비들이 동시에 기능을 상실할 가능성을 최소화하도록 설계된다. 동일한 원인으로 인해 2개 이상의 기기나 설비가 동시에 고장 나는 경우를 '공통원인고장'이라고 하는데, 이는 주로 부식, 피로, 마모, 인적 실수, 설계 오류, 환경 요인 등으로 발생한다.

원자력 발전소의 사고 발생시, 안전을 위해 설치된 공학적 안전설비는 원자로를 정지시키고, 안전정지 상태를 유지하며, 방사성 물질의 외부 유출을 막는다.

원자력 발전은 보험 체계 하에서 운영되며, 사고 책임은 원자력 분야 제3자 책임에 관한 파리 협약, 브뤼셀 보충 협약, 원자력 손해에 대한 민사 책임에 관한 비엔나 협약 등에 따라 제한되거나 구조화된다.^[49] 그러나 미국, 러시아, 중국, 일본 등 주요 원자력 발전 국가들은 이러한 국제 협약에 가입하지 않았다.

미국: 프라이스-앤더슨 원자력 산업 배상법에 따라 원자력 사고에 대한 보험이 제공된다.
영국: 1965년 원자력 시설법에 따라 원자력 피해에 대한 책임이 규정되며, 운영자는 최대 1억 5천만 파운드의 피해를 보상해야 한다. 영국 정부는 국제 협약에 따라 추가적인 국경 간 책임을 부담한다.^[50]

현대 원자로 설계는 최초의 원자로에 비해 안전성이 크게 향상되었다. 원자력 발전소는 농축 우라늄을 사용하지 않고, 핵무기와 같은 정밀 폭발물이 없기 때문에 핵무기처럼 폭발할 수 없다. 하지만, 노심 용융을 방지하기 위해 지속적인 온도 제어가 필요하며, 사고 발생 시 방사능 방출로 인해 주변 지역이 사람이 살 수 없게 될 수 있다.^[44]

지금까지 가장 심각한 원자력 사고는 1979년 쓰리마일섬 사고, 1986년 체르노빌 참사, 2011년 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고이다.

일부 사회학자들은 복잡한 원자로 시스템에는 예측 불가능한 고장이 내재되어 있다고 주장하며, 이러한 사고는 불가피하다고 주장한다.^[45] MIT 연구팀은 2005년부터 2055년까지 최소 4건의 심각한 원자력 사고가 발생할 것으로 예상했지만,^[46] 이는 1970년 이후의 안전성 향상을 고려하지 않은 추정치이다.^[47]^[48]

5. 1. 안전성 기술

원자력 발전소는 안전성 확보를 위해 다중 안전 설계 원칙과 공학적 안전 설비를 갖추고 있다.

다중성, 다양성, 독립성, 고장-안전성: 원자력 발전소 설계 시 동일 기능을 수행하는 기기나 계통을 다중으로 설치하고(다중성), 서로 다른 작동 원리를 갖도록 하거나(다양성), 물리적/전기적으로 분리하여(독립성) 공통원인고장을 최소화한다. 또한, 기기 고장 시 자동으로 안전 상태로 작동되도록 설계한다(고장-안전성).
연동 장치: 운전원의 오작동을 방지하기 위해 특정 조건에서만 기기가 작동하도록 설계한다.

공학적 안전 설비는 사고 발생 시 원자로를 정지시키고, 안전 정지 상태를 유지하며, 방사성 물질 유출을 방지하는 기능을 수행한다. 주요 설비는 다음과 같다.

비상노심냉각계통: 고압안전주입계통, 저압안전주입계통, 안전주입탱크, 재장전수탱크로 구성된다.
격납건물계통: 격납건물 살수계통, 가연성 기체제어계통, 격납건물 격리계통으로 구성된다.
보조급수계통: 전동기구동 및 터빈구동 펌프로 구성된다.
주제어실 거주성계통: 주제어실 비상공기조화계통 및 방사선감시계통으로 구성된다.

안전 설비는 기계적 움직임을 수반하는 능동안전계통과 자연법칙에 의해 작동하는 피동안전계통으로 구분된다. 3세대 이후 원전은 주로 피동안전계통으로 안전성을 확보한다.

안전 해석은 잠재적 재해를 평가하여 안전 기준 충족 여부를 확인하는 것으로, 결정론적 안전 해석과 확률론적 안전 해석(PSA)으로 구분된다.

결정론적 안전해석: 사고 현상 및 진행 과정을 물리적으로 분석하여 안전성을 평가한다.
확률론적 안전해석(PSA): 노심 및 격납건물 손상 발생 빈도를 추정하고, 방사성 물질 누출이 인근 주민에게 미치는 영향을 평가한다. 스리마일 원전 사고^[110]를 예측하여 주목받았으며, 결정론적 안전 해석을 보완하는 수단으로 활용된다.^[111]

5. 2. 원자력 안전 문화

국제 원자력 기구(IAEA)는 INSAG-4 문서에서 안전문화를 ‘원자력 안전을 최우선으로 고려하는 조직과 개개인의 품성과 자세가 결집된 것’으로 정의하였다. 안전문화는 조직 체제와 각 경영 계층의 책임, 조직 체제에 속하는 각 계층 종사자의 태도라는 두 가지 일반적인 요소로 구성되며, 조직 체제와 책임은 정책 차원과 관리자 차원으로 구성된다고 제시하였다.^[110]^[111]

미국은 2011년 안전문화 정책 성명을 공표하여 안전문화를 ‘인간과 환경의 보호를 보장하기 위해 다른 경쟁적인 목표들보다 안전성을 우선적으로 강조하는 경영진과 각 개인들의 집단적 약속에 기인하는 핵심 가치와 행위’로 정의했다. 그리고 경영층의 안전 가치와 이행, 문제 파악과 해결, 개인의 책임, 작업 절차, 지속적 학습, 문제점을 제기하는 환경, 효과적 의사소통, 존중의 업무 환경, 의문을 제기하는 자세 등 9가지를 바람직한 안전문화의 속성으로 제시하였다.

5. 3. 주기적 안전성 평가 (PSR)

국제원자력안전그룹(INSAG^[110])은 1999년 <INSAG-12> 보고서^[111] <원전의 기본안전원칙>에서 원전 안전성 확보에 관한 체계를 제시하였다. 주기적 안전성평가(PSR)는 이 체계에 기반하여 수행된다.

주기적 안전성 평가 항목은 최초 12개였으나, 2014년 2개 항목이 추가되어 총 14개 항목에 대한 평가를 수행한다. 평가 항목은 다음과 같다.

번호	항목
1	원자로시설의 설계
2	안전에 중요한 구조물·계통 및 기기의 실제 상태
3	결정론적 안전성분석
4	확률론적 안전성평가
5	위해도 분석
6	기기검증
7	경년열화(시간 경과 또는 사용에 따라 원자력발전소의 계통·구조물·기기의 손상을 가져올 물리적 또는 화학적 과정)
8	안전성능
9	원자력발전소 운전경험 및 연구결과의 활용
10	운영 및 보수(補修) 등의 절차서
11	조직·관리체계 및 안전문화
12	인적 요소 (원자로의 운전에 필요한 구성인원 등의 상태 포함)
13	원자력시설 등의 방호 및 방사능 방재 대책법 제20조에 따른 방사선비상계획
14	방사선환경영향

5. 4. 원전 수명 및 계속 운전

원자력 발전소의 수명은 운영 허가 기간과 설계 수명 기간으로 나눌 수 있다. 운영 허가 기간은 원자력 사업자가 규제 기관으로부터 허가를 받은 기간을 의미하고, 설계 수명 기간은 발전소 설계 시 설정된 운영 목표 기간으로, 안전성 평가를 통해 설정된 최소한의 운전 가능 기간을 의미한다. 계속 운전이란 운영 허가(설계 종료)가 만료된 원자력 발전소의 안전성을 관련 법규에 따라 평가하여, 만족하는 경우 운영 허가 기간 만료 이후에도 운전을 계속하는 것을 말한다.

일반적으로 경수로의 설계 수명은 40년, 중수로는 30년이지만, 최근에는 설계 개선과 강화된 재료 사용으로 60년 수명의 신형 원자로도 개발되었다. NRC는 설계 수명을 최초 원전 운영 허가 기간으로 정의하며, 이는 기술적인 문제가 아닌 경제성과 독과점 규제 측면에서 설정된 기간이라고 설명한다.

대한민국은 2005년 원자력법 시행령 및 시행규칙 개정을 통해 계속 운전의 법적 근거를 마련하였다.^[110]^[111] 원전 사업자는 계속 운전 인허가를 신청하기 위해 설계 수명 기간 만료일을 기준으로 평가 보고서를 원자력안전위원회에 제출해야 한다. 안전성 평가는 IAEA의 주기적 안전성 평가(PSR) 기준을 토대로 하며, 원자로 시설 설계 등 14개 분야 68개 항목과 미국의 운영 허가 갱신 기준인 주요 기기 수명 평가 및 방사선 환경 영향 평가 10개 분야 77개 항목을 포함한다.

미국은 법적으로 최초 운영 허가 기간을 40년으로 명시하고, 최대 20년 단위로 계속 운전을 허용한다. NRC는 지속적인 원전 안전성 모니터링을 통해 안전성에 문제가 있는 경우 운영 허가 갱신 이후에도 가동을 정지시킬 수 있다.

영국, 프랑스, 스웨덴 등 유럽 국가들은 운영 허가 기간에 대한 명확한 법적 규정 없이, 투명하고 객관적인 PSR 결과에 따라 10년 주기로 계속 운전을 허용한다. 헝가리와 벨기에는 각각 설계 수명을 30년, 40년으로 규정하고 있다.

일본은 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이후 법적 설계 수명을 40년으로 규정하고, 40년 가동 이후 면허 갱신 심사를 통해 20년 연장을 1회 허용하는 제도를 PSR 제도와 병행하고 있다.

캐나다는 초창기 중수로형 원전은 30년, 최근 원전은 40년의 설계 수명을 가지며, 운영 허가 기간은 별도로 규정되지 않는다. 계속 운전 인허가 시 사업자의 25년 이상 계속 운전 의향을 승인하고, 3~5년마다 인허가를 갱신한다.

러시아는 원전 규제 기관(Rostekhnadzor)이 운영 허가 기간(설계 수명)을 30년으로 규정하며, 운영 허가 갱신 기간은 노형별로 15~25년이다.

6. 대한민국의 원자력 발전

대한민국은 2019년 기준으로 23기의 원자력 발전소를 운영하고 있으며, 5기를 추가로 건설하고 있다. 원자력 발전은 전체 전력의 약 30%를 공급한다.^[122]

6. 1. 역사 및 현황

대한민국에서는 1978년 4월 최초의 상업 원자력 발전소인 고리원자력발전소 1호기가 상업 운전을 시작하였다. 2019년 기준으로 23기의 원자로가 운영 중이고, 5기가 건설 중이다.^[122] 국내 원전산업 초기에는 외국 기업이 주도하였으나, 1980년대 초 주요 기기와 핵연료 기술 국산화를 달성하고, 한빛 3·4호기 건설을 통해 원전 건설 기술 자립을 이루었다. 이를 바탕으로 2009년에는 아랍에미리트에 상용원전 APR1400을 수출하였다.^[122]

2015년 정부는 고리 1호기 영구 정지를 발표했으나, 2016년 신고리 5, 6호기 건설은 시민 반대로 철회되었다.^[122]

2002년 당시 원자력 발전량 상위 5개국은 미국, 프랑스, 일본, 독일, 러시아였으며, 발전량에서 원자력 발전이 차지하는 비율은 프랑스 77%, 벨기에 57%, 우크라이나 44%, 대한민국 36%, 일본 33%였다.^[92]

6. 2. 정책 및 규제

대한민국에서는 1978년 4월 최초의 상업 원자력 발전소인 고리원자력발전소 1호기가 상업용 발전을 시작하였으며, 2019년 기준으로 23기를 운영 중에 있고, 5기가 건설 중이며, 전체 전력의 약 30%를 공급하고 있다.^[122] 국내 원전산업 초기 단계에는 외국 전문회사의 주도하에 원전사업을 추진했으나, 1980년대 초 원전 주요 기기와 핵연료 기술 국산화를 달성하였고, 한빛 3·4호기 건설을 통해 원전 건설 기술 자립을 달성하였다.^[122] 이를 바탕으로 2009년에는 UAE에 상용원전 APR1400을 수출하였다.^[122] 2015년 정부는 부산, 울산 지역 주민들의 고리 1호기 폐쇄 범시민운동에 고리 1호기 영구정지를 발표했으나, 2016년 신고리 5, 6호기 건설은 시민 반대로 철회하였다.^[122]

6. 3. 기술 개발

대한민국에서는 1978년 4월 최초의 상업 원자력 발전소인 고리원자력발전소 1호기가 상업 발전을 시작하였다.^[122] 국내 원전산업 초기 단계에는 외국 전문회사의 주도하에 원전사업을 추진했으나, 1980년대 초 원전 주요 기기와 핵연료 기술 국산화를 달성하였고, 한빛 3·4호기 건설을 통해 원전 건설 기술 자립을 달성하였다.^[122] 이를 바탕으로 2009년에는 UAE에 상용원전 APR1400을 수출하였다.^[122]

7. 세계의 원자력 발전 현황

19세기부터 원자 모형과 주기율표 이론이 발전하면서 핵분열 시 발생하는 에너지에 대한 과학적 이해가 높아졌다. 1948년 9월 미국에서 핵분열을 이용해 전구에 불을 밝히는 데 성공했고, 1954년 6월 소련에서 세계 최초로 대규모 전력 생산 목적의 원자력 발전소가 가동되었다. 1956년 10월 17일에는 영국에서 최초의 상업용 원자력 발전소가 가동을 시작했다.^[116]^[117]

2016년 11월 기준으로 전 세계에는 448기의 발전로가 가동 중이며, 58기가 건설 중이다. 원자력 발전은 전 세계 전력 공급량의 약 15%를 차지한다. 신규 원전 건설은 대부분 경수로형이며, 2030년까지 경수로가 주력 원전으로 사용될 전망이다.

1950년대에는 2000년까지 1,800개의 원자력 발전소가 건설될 것으로 예측되었으나, 각국 정부의 감축 정책으로 인해 2007년 기준 30여 개국에서 439개의 원자로가 전 세계 상업용 에너지의 6%, 전력의 16%를 생산하고 있다. 특히 프랑스는 2012년 기준 전체 전력의 74.79%를, 대한민국은 30.37%를 원자력 발전으로 생산하고 있다.^[116]^[117]

국제에너지기구(IEA)는 2040년까지 원자력 발전 용량이 60% 증가하여 624GW에 이를 것으로 전망하고 있다.^[119] 세계원자력협회는 2030년까지 266기의 원전 건설과 1.2조달러 투자를 전망하며, 이 중 아시아 지역 투자가 절반가량인 7810억달러를 차지할 것으로 예상한다.^[120]

2016년 12월 기준으로 가동 연수가 30년 이상 된 원자로는 272기(60%)이며, 이 중 40년 이상 된 원자로는 80기(18%)이다. 설비 용량 기준으로 30년 이상 운영된 원전은 229,506MW(58%), 40년 이상은 54,566MW(14%)이다.^[121]

<30년 이상 운영 중인 세계 원전 현황(2016년 12월 기준)>

운영 연수 기준
구분	30년 이상 운영	40년 이상 운영
기수(기)	272	80
비중(%)	60	18

설비용량 기준
구분	30년 이상 운영	40년 이상 운영
용량(MW)	229,506	54,566
비중(%)	58	14

원자력 발전은 전 세계적으로 저탄소 전력 공급원의 약 4분의 1을 차지하는 중요한 에너지원이다. 2020년 기준으로 원자력은 저탄소 에너지원 중 두 번째로 큰 비중(26%)을 차지했다.^[21] 32개국 또는 지역에서 원자력 발전 시설을 운영하고 있으며,^[22] 유럽에서는 지역 송전망을 통해 여러 국가에 영향을 미치고 있다.^[23]

지난 15년간 미국은 원자력 발전소 운영 성과를 크게 향상시켜 이용률과 효율성을 높였으며, 이는 실제 건설 없이 1000MWe급 원전 19기에 해당하는 발전량을 추가한 것과 같다. 프랑스는 2022년에도 원자력 발전소가 전체 발전량의 60% 이상을 생산했다. 당초 2025년까지 원자력 발전 비중을 50% 미만으로 줄이는 것을 목표로 했으나, 2019년에 2035년으로 연기되었고 2023년에 최종 폐기되었다. 러시아는 세계에서 가장 많은 원자력 발전소를 수출하고 있으며, 여러 국가에서 프로젝트를 진행하고 있다. 2023년 7월 기준으로 러시아는 외국 업체가 건설 중인 22기의 원자로 중 19기를 건설 중이었다.^[24] 그러나 러시아의 우크라이나 침공으로 인해 일부 수출 프로젝트가 취소되었다.^[25]

7. 1. 주요 국가 현황

World Nuclear Association^영어와 국제원자력기구(IAEA)에 따르면, 2017년 1월 기준으로 전 세계 30개국에서 가동 중인 원전은 449기로 총 발전용량은 약 392GWe이고 건설 중인 원전은 60기, 향후 건설 계획 중인 원전은 164기이다.^[118]

2022년 원자력 발전소는 2545TWh의 전력을 생산했는데, 이는 2021년 2653TWh보다 약간 감소한 수치이다. 전력의 4분의 1 이상을 원자력으로 생산한 국가는 13개국이다. 특히 프랑스는 전력 수요의 약 70%를 원자력에 의존하고 있으며, 우크라이나, 슬로바키아, 벨기에, 헝가리는 전력의 약 절반을 원자력으로 생산하고 있다. 일본은 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이전에는 전력의 4분의 1 이상을 원자력에 의존했으나, 앞으로 원자력 에너지 이용률을 비슷한 수준으로 회복할 것으로 예상된다.^[21]^[22]

세계의 주요 원전 수출국은 다음과 같다.

미국: 1950년대부터 원전 시장에서 독점적 지위를 유지하였다. 웨스팅하우스는 세계 최초로 상업용 가압경수로를 설계했으며, 제너럴 일렉트릭(GE)은 비등경수로를 개발하여 미국 및 여러 나라에 수출하였다. 스리마일섬 원자력 발전소 사고 이후 원자력 산업이 침체되었으나, 2000년대 중반에 원전 건설이 재개되었다.
프랑스: 1970년대부터 정부 주도로 원자력 기술을 발전시켜, 아레바 그룹은 가압경수로 부문에서 미국의 웨스팅하우스와 함께 세계 시장을 양분하고 있다. 3세대 원자로인 EPR을 개발하여 수출하고 있다.
러시아: 1954년 세계 최초로 원자력 발전을 시작하였고, 자체 기술을 개발하여 주변 국가에 원자로를 건설하거나 기술을 전수하였다. 로사톰은 가압수형 원자로(VVER 1000)를 자체 개발하여 수출하고 있다.
캐나다: 1960년대 초반 천연우라늄을 사용하는 캔두(CANDU) 원자로를 독자 기술로 개발하여 자국 및 신흥국 시장에 수출하고 있다.
중국: 원자력 분야에서 빠르게 성장하고 있으며, 2023년 말 기준으로 25기의 원자로를 건설 중으로, 세계에서 가장 많은 원자로를 동시에 건설 중인 국가이다.^[24]^[26]

7. 2. 국제 협력

4세대 국제 포럼(GIF)은 2000년에 설립된 국제 협력체로, 4세대 원자로 시스템의 연구 개발을 목표로 한다. 이 포럼은 미국 에너지부가 주도하고 있으며, 현재 13개 회원국이 참여하고 있다.^[21] GIF 회원국들은 4세대 원자로 기술 개발을 위해 협력하고 있으며, 이는 미래 원자력 에너지 시스템의 안전성, 경제성, 핵확산 저항성을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.

ITER 프로젝트는 핵융합 에너지를 평화적으로 이용하기 위한 국제 협력 프로젝트이다. 이 프로젝트는 프랑스 카다라슈에 건설 중인 국제 핵융합 실험로(ITER)를 통해 핵융합 발전의 가능성을 실증하는 것을 목표로 한다. ITER 프로젝트에는 대한민국을 비롯하여 EU, 미국, 러시아, 일본, 중국, 인도 등 여러 국가가 참여하고 있다.

8. 원자력 발전의 경제성

1948년 9월 미국 테네시주 오크리지에 설치된 X-10 흑연원자로에서 전구에 불을 밝히면서 핵분열 방식의 전력생산이 시작되었다. 1954년 6월 구 소련의 오브닌스크에 건설된 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로 발전소는 세계 최초로 대규모 전력 생산을 목적으로 하는 원자력 발전소였다. 최초의 상업용 원자력 발전소는 영국 셀라필드 원자력 단지에 위치한 콜더 홀(Calder Hall) 원자력 발전소로, 1956년 10월 17일 상업 운전을 시작하였다.

2016년 11월 기준으로 전 세계에는 448기의 발전로가 있고, 58기의 발전로가 건설 중에 있으며, 세계 전력 공급량의 약 15%를 원자력이 담당하고 있다. 신규 원전 건설은 대부분 경수로형이며, 2030년까지도 경수로가 주력 원전으로서 역할을 지속할 것으로 전망된다.

세계원자력협회에 따르면, 2020년 3월 기준으로 저렴한 화석 연료에 직접 접근할 수 있는 경우를 제외하고 원자력은 다른 발전 방식과 비용 경쟁력이 있다. 원자력 발전소는 연료 비용이 총 발전 비용에서 차지하는 비중이 적지만, 자본 비용은 석탄 화력 발전소보다 크고 가스 화력 발전소보다 훨씬 크다. 원자력(석탄 및 가스 발전 포함)의 시스템 비용은 간헐적 재생에너지보다 훨씬 낮다. 단기 가격 신호에 따라 움직이는 규제 완화 시장에서 장기간, 고자본 투자에 대한 인센티브를 제공하는 것은 다양하고 안정적인 전력 공급 시스템을 확보하는 데 어려움을 제시한다. 원자력 경제성을 평가할 때는 해체 및 폐기물 처리 비용이 완전히 고려된다. 원자력 발전소 건설은 전 세계 대규모 인프라 프로젝트의 특징으로, 비용과 납기 문제가 과소평가되는 경향이 있다.^[42]

러시아 국영 원자력 회사 로사톰은 국제 원자력 시장에서 가장 큰 업체이며, 전 세계에 원자력 발전소를 건설하고 있다.^[43] 2022년 2월 러시아의 우크라이나 전면 침공 이후 러시아 석유 및 가스가 국제 제재를 받았지만, 로사톰은 제재 대상이 아니었다.^[43] 그러나 특히 유럽의 일부 국가들은 로사톰이 건설할 예정이었던 원자력 발전소 건설 계획을 축소하거나 취소했다.^[43]

산업 발전, 인구 증가, 다양한 기계화에 따라 전력 수요가 증가해 왔다. 그러나 발전과 관련된 환경 문제도 주목받으면서, 청정 발전소로서 원자력 발전소가 개발되었다. 1950년대부터 원자력 사고의 위험성은 검토되었지만, 발전량과 공해가 적다는 점 때문에 주목받아 급속히 건설이 진행되었다. 하지만, 원자력 사고 발생 시 방사능 오염 등의 피해가 크기 때문에, 전력 수요와 안전성의 균형에 대해 강하게 검토되고 있으며, 관련 보도도 많이 나오고 있다. 다른 방식의 발전소와 비교하여 일반적인 공해의 원인 물질^[82]은 적고, 대신 다양한 방사성 폐기물^[83]이 발생한다. 다른 방식의 발전 시설과 비교하면, 규모에 비해 발전량이 매우 크고, 자연 현상에 좌우되지 않는 안정적인 송전이 가능하다. 그러나 출력 조정이 용이하지 않기 때문에, 24시간 출력 수요 변화에 맞춰 조정하는 일은 거의 없다.^[84]

8. 1. 비용 구성

원자력 발전소의 경제성은 논란이 되는 주제이며, 에너지원 선택에 따라 수십억 달러의 투자가 이루어진다. 원자력 발전소는 일반적으로 자본 비용이 높지만 연료 비용이 낮다. 연료 추출, 처리, 사용 및 사용 후 핵연료 저장 비용은 내부화된 비용이다.^[37] 따라서 다른 발전 방식과의 비교는 원자력 발전소의 건설 기간 및 자본 조달 방식에 대한 가정에 크게 의존한다. 비용 추정에는 발전소 해체 및 핵폐기물 저장 또는 재활용 비용이 포함된다.^[37]

4세대 원자로는 핵연료 사이클을 완전히 폐쇄하도록 설계되어 미래 원자로를 사용하여 모든 사용 후 핵연료를 재활용할 가능성이 있다. 그러나 현재까지 원전에서 폐기물을 대량으로 재활용한 사례는 없으며, 심부 지질 저장소 건설 문제로 인해 거의 모든 발전소 현장에서 현장 임시 저장이 여전히 사용되고 있다. 핀란드만이 운영 중인 저장소를 보유하고 있으므로, 전 세계적인 관점에서 장기적인 폐기물 저장 비용은 불확실하다.

지구 온난화를 완화하기 위한 조치(예: 탄소세 또는 탄소 배출권 거래)는 원자력의 경제성을 점점 더 선호하게 한다. 더욱 발전된 원자로 설계를 통해 더 높은 효율성을 달성할 것으로 기대되며, 3세대 원자로는 연료 효율이 최소 17% 향상되고 자본 비용이 낮을 것으로 예상되며, 4세대 원자로는 연료 효율을 더욱 높이고 핵폐기물을 크게 줄일 것으로 예상된다.

원자력 발전소 건설 자금 조달은 발주자가 자체 자본으로 건설하는 것뿐만 아니라, 수주한 건설업체가 필요한 자금을 제공하고, 향후 발전소에서 발생하는 전기요금 등의 수입으로 투자금을 회수하는 프로젝트 파이낸싱(PF) 방식이 늘어나고 있다. 이는 한꺼번에 공사비를 지불하기 어려운 국가에서 인프라 투자를 촉진하는 역할을 한다.

8. 2. 경제성 평가

원자력 발전소의 경제성은 수십억 달러의 투자가 걸린 논란거리이다. 원자력 발전소는 초기 건설 비용(자본 비용)은 많이 들지만, 연료 비용은 적게 드는 특징이 있다. 연료 추출, 처리, 사용 및 사용 후 핵연료 저장 비용은 발전 비용에 포함된다.^[37] 따라서 다른 발전 방식과 경제성을 비교할 때는 원자력 발전소 건설 기간과 자본 조달 방식에 대한 고려가 중요하다. 비용 추정에는 발전소 해체 및 핵폐기물 저장 또는 재활용 비용도 포함된다.^[37]

4세대 원자로는 핵연료 사이클을 완전히 폐쇄하여, 미래에는 모든 사용 후 핵연료를 재활용할 가능성이 있다. 그러나 현재까지 원전 폐기물을 대량으로 재활용한 사례는 없으며, 심부 지질 저장소 건설 문제로 인해 대부분 발전소 현장에서 임시 저장을 하고 있다. 핀란드만이 운영 중인 저장소를 보유하고 있어, 장기적인 폐기물 저장 비용은 불확실하다.

지구 온난화를 완화하기 위한 탄소세 또는 탄소 배출권 거래 등의 조치는 원자력 발전의 경제성을 높이는 요인이다. 또한, 3세대 원자로는 연료 효율이 최소 17% 향상되고 자본 비용이 낮을 것으로 예상되며, 4세대 원자로는 연료 효율을 더욱 높이고 핵폐기물을 크게 줄일 것으로 기대되어 경제성이 개선될 것으로 보인다.

동유럽의 여러 원자력 프로젝트는 자금 조달에 어려움을 겪고 있다. 특히 불가리아의 벨레네와 루마니아의 체르나보다 추가 원자로 건설이 어려움을 겪고 있으며, 일부 잠재적 후원자들이 철회했다.^[38] 저렴한 가스 공급이 안정적인 경우에도 원자력 프로젝트는 어려움을 겪을 수 있다.^[38]

원자력 발전의 경제성 분석에는 미래 불확실성의 위험을 누가 부담하는지도 고려해야 한다. 과거에는 국영 또는 규제되는 유틸리티가 원자력 발전소를 개발하여, 건설 비용, 운영 성능, 연료 가격 등의 위험을 소비자가 부담했다.^[39] 그러나 많은 국가에서 전력 시장을 자유화하면서, 발전소 공급업체 및 운영업체가 이러한 위험을 부담하게 되었고, 이는 원자력 발전소의 경제성 평가에 큰 영향을 미친다.^[40]

2011년 일본 후쿠시마 원전 사고 이후, 사용 후 핵연료 관리 요건 증가와 설계 기준 위협 증가로 인해 원자력 발전소 비용이 증가할 가능성이 있다.^[41] 그러나 수동적 원자력 안전 냉각 시스템을 사용하는 AP1000과 같은 설계는 후쿠시마 1호기와 달리 능동적 냉각 시스템이 필요하지 않아 추가 안전 장비 비용을 절감할 수 있다.

원자력 발전소 건설 자금 조달은 발주자가 자체 자본으로 건설하는 방식 외에, 프로젝트 파이낸싱 방식이 활용되기도 한다. 이는 건설업체가 자금을 제공하고, 향후 발전소에서 발생하는 수익으로 투자금을 회수하는 방식이다. 이는 공사비 지불이 어려운 국가의 인프라 투자를 촉진하는 역할을 한다.

2009년 하토야마 유키오 총리 시절 하토야마 이니셔티브를 통해 지구 온난화 대책으로 원전 활용이 검토되었다. 국제협력은행은 베트남 원자력 발전소 건설에 파이낸싱 역할로 참여했다.^[95] 터키 원자력 발전소 건설에도 프로젝트 파이낸싱이 도입될 예정이다.^[96]

9. 원자력 발전의 논란

1979년 스리마일섬 원자력 발전소, 1986년 체르노빌 원자력 발전소, 2011년 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 등에서 발생한 원자력 사고는 원자력 발전의 위험성을 보여준다. 특히 체르노빌 사고는 광범위한 지역을 방사능으로 오염시켰고, 많은 인명 피해를 냈다.^[57]^[58]

민간 목적의 원자력 연료를 이용해 전기를 생산하는 원자력 발전에 대한 논쟁은 1970년대와 1980년대에 정점을 찍었는데, 일부 국가에서는 "기술 논쟁 역사상 전례 없는 강도"에 도달했다.^[51] 찬성론자들은 원자력이 온실가스 배출을 줄이고 수입 연료에 대한 의존도를 대체함으로써 에너지 안보를 증대시킬 수 있는 지속 가능한 에너지원이라고 주장한다.^[52] 반면 반대론자들은 원자력이 사람과 환경에 많은 위협을 초래하며, 비용이 이익을 정당화하지 않는다고 말한다. 위협에는 우라늄 채굴, 처리 및 운송으로 인한 건강 위험 및 환경 피해, 핵무기 확산 또는 사보타주 위험, 그리고 방사성 핵폐기물 문제가 포함된다.^[54]^[55]^[56]

우라늄 채굴부터 원전 해체까지 원자력 연료 사이클의 모든 에너지 집약적인 단계를 고려할 때, 정제 및 장기 저장이 원자력 시설에 의해 가능함에도 불구하고 원자력은 저탄소 전력원이 아니라고 주장한다.^[60]^[61]^[62] 우라늄 광산이 없는 국가는 기존의 원자력 기술을 통해 에너지 자립을 달성할 수 없다. 실제 건설 비용은 종종 예상치를 초과하고, 사용후핵연료 관리 비용은 정의하기 어렵다.

2020년 8월 1일, 아랍에미리트(UAE)는 아랍 지역 최초의 원자력 발전소를 가동했다. 아부다비 알다프라 지역의 바라카 원자력 발전소 1호기는 가동 첫날부터 열을 발생하기 시작했으며, 나머지 3호기는 건설 중이다. 그러나 핵 컨설팅 그룹의 책임자인 Paul Dorfman은 걸프 국가의 발전소 투자를 "불안정한 걸프 지역을 더욱 불안정하게 만들고, 환경을 파괴하며, 핵무기 확산 가능성을 높이는" 위험으로 경고했다.^[63]

9. 1. 찬성 측 주장

원자력 발전은 온실가스 배출을 줄이고 수입 연료에 대한 의존도를 낮춰 에너지 안보를 강화할 수 있는 지속 가능한 에너지원이라는 주장이 있다.^[52] 화석 연료와 달리 원자력 발전은 대기오염을 거의 발생시키지 않으며, 대부분의 서구 국가들이 에너지 자립을 달성하기 위한 유일한 방법으로 여겨진다.^[53] 또한 폐기물 저장의 위험은 작고, 새로운 원자로의 최신 기술을 사용하면 더욱 줄일 수 있으며, 서구권의 운영 안전 기록은 다른 주요 발전소보다 우수하다고 주장한다.^[53]

원자력 발전은 다른 발전 방식에 비해 발전량이 매우 크고, 자연 현상에 영향을 받지 않아 안정적인 전력 공급이 가능하다는 장점이 있다. 출력 조정은 어렵지만, 24시간 동안 일정한 전력을 공급할 수 있다.^[84]

지구 온난화 방지를 위한 노력과 원유 가격 급등으로 인해, 원자력 발전소 건설을 추진하는 움직임이 다시 나타나고 있다.^[90] 원자력 발전은 화력 발전에 비해 탄소 중립적이며, 발전 비용 감소와 전기 요금 인하, 새로운 일자리 창출 등의 장점을 가진다.^[98]

9. 2. 반대 측 주장

원자력 발전소에 대한 반대 주장은 다음과 같다.

핵사고 및 방사능 오염 우려: 1979년 스리마일섬, 1986년 체르노빌, 2011년 후쿠시마 등에서 발생한 원자력 사고는 원자력 발전의 위험성을 보여준다. 특히 체르노빌 사고는 광범위한 지역을 방사능으로 오염시켰고, 많은 인명 피해를 냈다.^[57]^[58] 후쿠시마 사고 역시 대규모 피난 사태를 야기했다.

1986년 4월 26일 체르노빌 원자력 발전소에서 발생한 원자력 사고로 인해 버려진 우크라이나 도시 프리피야트의 모습

핵폐기물 처리 문제: 원자력 발전은 방사성 핵폐기물을 발생시키는데, 이 폐기물은 안전하게 처리하기 어렵고 오랜 기간 동안 방사능을 방출하여 환경과 건강에 위협을 준다.^[54]^[55]^[56]
핵무기 확산 가능성: 원자력 발전 기술은 핵무기 개발에 사용될 수 있다는 우려가 있다.^[63]
높은 건설 비용 및 경제적 불확실성: 원자력 발전소 건설에는 막대한 비용이 소요되며, 건설 기간도 길어 경제적 부담이 크다.^[91] 또한, 사고 발생 시 복구 비용, 폐로 비용, 핵폐기물 처리 비용 등 추가적인 비용도 발생한다.
환경 문제: 원자력 발전소는 냉각수를 바다로 배출하여 해양 생태계를 변화시킬 수 있다.^[56]

이러한 문제점들 때문에 원자력 발전을 반대하는 목소리가 높으며, 일부 국가에서는 원자력 폐지를 추진하고 있다.

9. 3. 중도진보적 관점

원자력 발전에 대한 중도진보적 관점은 다음과 같이 요약될 수 있다.

안전성 최우선 및 투명한 정보 공개: 원자력 발전의 안전성을 최우선으로 확보하고, 관련 정보를 투명하게 공개해야 한다. 체르노빌 원자력 발전소 사고와 같은 심각한 사고^[57]^[58] 발생 가능성을 줄이기 위해 노력해야 한다.
신재생 에너지와의 조화: 원자력 발전은 온실가스 배출을 줄이는 지속 가능한 에너지원 중 하나이지만,^[52] 신재생 에너지와의 조화로운 발전을 추구해야 한다.
핵폐기물 처리 문제 해결: 핵폐기물 처리 문제는 원자력 발전의 주요 과제 중 하나이며,^[54]^[55]^[56] 이에 대한 해결 노력이 필요하다.
핵 비확산 및 평화적 이용: 핵무기 확산 또는 사보타주 위험을 방지하고,^[54]^[55]^[56] 원자력의 평화적 이용 원칙을 준수해야 한다.

이러한 관점은 원자력 발전의 잠재적 이점과 위험성을 동시에 고려하며, 안전하고 지속 가능한 에너지 시스템 구축을 목표로 한다. 특히, 탄소중립적인 발전 방식^[98]을 추구하면서도, 방사능 오염^[99]과 같은 위험에 대한 경제적 부담^[100]을 최소화하는 균형 잡힌 접근 방식을 강조한다.

10. 원자력 발전의 환경적 영향

원자력 발전은 온실 가스 배출량이 적어 기후 변화 대응에 기여할 수 있지만, 방사성 폐기물, 전리 방사선, 폐열 등 다른 환경 문제도 야기한다. 대규모 원자력 발전소는 폐열을 자연 수역에 배출하여 수중 생태계에 영향을 미칠 수 있으며,^[66] 핵연료 채굴 과정은 광산 주변 환경을 훼손할 수 있다.^[67] 핵폐기물 심층 매립은 비교적 안전한 방법으로 평가되지만, 운반 중 사고 발생 시 핵 오염 물질 누출 위험이 존재한다.^[68]

체르노빌, 후쿠시마와 같은 대규모 원자력 사고는 다량의 방사성 물질을 자연에 방출하여 인간과 생태계에 심각한 피해를 초래한다.^[69]^[70] 이러한 사고를 예방하고 피해를 최소화하기 위해 규제 강화, 운영 교육 개선, 사고 현장 방사성 오염 물질 처리, 영구 격리 구역 설정 등의 조치가 필요하다.^[71]

10. 1. 온실가스 배출

원자력 발전소는 운영 중에 온실 가스를 배출하지 않는다. 2세대 원자로를 사용하는 구형 원자력 발전소의 경우, 원자력 발전소의 전체 수명주기 동안 약 11g/kWh의 이산화탄소를 배출하는데, 이는 풍력 발전으로 생산된 전력량과 거의 같으며, 태양열 발전의 약 1/3, 천연가스 발전의 약 1/45, 석탄 발전의 약 1/75에 해당한다.^[64] HPR1000와 같은 신형 모델은 전체 운영 수명 동안 훨씬 적은 이산화탄소를 배출하며, 2세대 원자로를 사용하는 발전소의 1/8에 불과한 1.31g/kWh에 이른다.^[65]

10. 2. 방사성 폐기물

원자력 발전소는 방사성 폐기물, 전리 방사선, 폐열 등 환경적인 영향을 발생시킨다.^[66] 핵연료(예: 우라늄, 토륨) 채굴은 광산 주변 환경에 부정적인 영향을 줄 수 있다.^[67] 핵폐기물을 심층 매립하는 방법은 일반적으로 안전하다고 평가되지만, 핵폐기물 운반 중 사고로 인해 핵 오염 물질이 누출될 가능성이 있다.^[68]

다른 발전소와 비교하면 일반적인 공해 물질^[82]은 적지만, 다양한 방사성 폐기물^[83]이 발생한다.

10. 3. 기타 환경 영향

원자력 발전소는 가동 중에 다량의 온배수를 지속적으로 배출한다.^[85] 이 온배수는 주변 해역의 생태계에 영향을 주는데, 플랑크톤 증식으로 생물량은 증가하지만, 생물 종의 변화를 일으켜 장점과 단점이 모두 크게 논의되고 있다.^[85]

또한, 체르노빌, 후쿠시마와 같은 대규모 원자력 사고는 다량의 방사성 물질을 자연에 방출하여 생물과 사람들에게 피해를 입힌다.^[69]^[70]

11. 군사적 이용 및 핵테러

핵분열 반응은 상용 원자력발전소보다 먼저 핵무기( 원자폭탄)로 군사적으로 이용되었다(｢맨해튼 계획｣, ｢히로시마 원자폭탄 투하｣ 참조). 또한 방사능 오염을 초래하는 핵물질은 ｢더티 봄｣ 등 핵테러리즘에도 사용될 수 있다.^[101]

이 때문에 핵확산금지조약에 가입한 핵무기 비보유국은 원자력발전소나 핵연료 재처리 시설 등에서 비밀 핵무기 개발이나 핵물질 절도를 막기 위해, 해당 국가의 정부 기관이나 국제원자력기구(IAEA)의 사찰 등 엄격한 감시와 보안 대책이 시행된다.^[101]

1977년에 채택된 제네바 조약 추가 의정서(제56조)에서 원자력발전소는 ｢위험한 힘을 내장한 구조물 및 시설｣ 중 하나로 규정되어 무력 공격이 금지되었다.^[102] 하지만 다른 국가의 핵무기 개발 저지나 발전소 파괴, 점령 등을 노린 원전 공격도 아래와 같이 실제로 발생하고 있다.

1981년 6월 7일 - 이스라엘은 이라크가 건설하고 있던 원자력발전소를 공군기로 폭격, 파괴했다( 이라크 원자로 폭격 사건, 바빌론 작전).
2017년 12월 3일 - 예멘의 반정부 무장 조직 후티는 아랍에미리트(UAE)가 건설하고 있는 원자력발전소를 향해 탄도 미사일을 발사했다고 발표했다. UAE 측은 이를 부정했다.^[103]
2022년 2월 24일 - 러시아군은 우크라이나 침공 과정에서 체르노빌 전투를 벌여 체르노빌 원자력발전소를 점령했다.^[104] 같은 해 3월 4일에는 자포리자 전투를 벌여 우크라이나 내 자포리자 원자력발전소에도 공격을 가해 점령했다.

2023년, 기시다 후미오 일본 총리는 원전 관련 시설에 대한 군사 공격이 발생했을 경우 우리나라의 방호 체제에 관한 질문 주의서에 대해 다음과 같이 답변했다. 외무성의 보고서는 1981년 이라크 원자로 공격을 계기로 작성되었고, 후쿠시마 사고와 유사한 시나리오를 분석하고 있다. 정부는 원자력 재해 방지 체제 확립이 시급하다고 하고, 국민 보호를 위한 검토를 계속하고 있다. 원자력발전소에 대한 테러 대책은 강화되었고, 방호 조치와 내부 위협 대책이 시행되고 있다. 원자력 사업자는 ｢출입 제한 구역｣을 설치하고, 중요 설비에는 장벽이 설치되며, 투맨룰이 철저히 지켜지고 있다. 정부는 관계 기관과 연계하여 핵 테러리즘 대응책을 강구하고 있지만, 구체적인 대책은 공표를 삼가하고 있다. 원전 관련 시설에서는 2001년 테러 이후 특별 경비대가 24시간 체제로 경비를 하고 있다. 테러 발생 시에는 자위대와 특수부대가 동원되고, 소방과 경찰도 대응하지만, 후쿠시마 제1원전 사고 이후의 구체적인 대책과 방사성 물질 피폭 관리에 대해서는 상세 내용을 밝힐 수 없다고 한다. 원전 관련 시설에 대한 공격 시에는 방위성과 경찰청, 소방청 등이 연계하여 사태 대책 본부를 설치한다. 정부는 평시부터 다양한 상황을 예상하여 시뮬레이션과 훈련을 실시하고 있으며, 관계 기관 간의 논의도 계속하고 있다.^[105]^[106]

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